instituto politÉcnico nacional · 2017. 9. 2. · the fotobioestimulation effects were assessed by...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN EQUIPO DE FOTOBIOESTIMULACIÓN BASADO EN DIODOS LÁSER DE 650 nm

PARA APLICACIONES EN LA ACELERACIÓN EN EL CRECIMIENTO DE SEMILLAS.”

TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA.

OPCIÓN: INSTRUMENTACIÓN.

PRESENTA:

ING. JOSÉ ALFONSO DOMÍNGUEZ CHÁVEZ

MÉXICO D.F. 2004

Agradecimientos A Dios Por darme la capacidad de razonar y sentir felicidad, tristeza, dolor, miedo, coraje, hambre, amor y todas las sensaciones que me hacen ser humano. A mi madre Sra. Margarita I. Chávez Ávila Gracias por tu invaluable cariño, cuidados y enseñanza que han hecho de mí un hombre de provecho y capaz de expresar mis sentimientos. Siempre estarás conmigo. A mi padre Sr. José María Domínguez Canto Haz sido y siempre serás un gran ejemplo a seguir, gracias por transmitirme tu honradez, moralidad, deseos de superación, lealtad y disciplina. Me enorgullece tener un padre como tú. A mis abuelos Sra. Margarita Ávila de Chávez Sra. María del Rosario Canto de Domínguez Sr. Alfonso Chávez Aguilar Sr. Marcial Domínguez Zermeño Por sus anécdotas, experiencias y gratos e innumerables recuerdos que han llenado de felicidad mi vida. A mi hermano Jorge y mis primos. Por ser mis compañeros de toda la vida. A mi amiga Acsa Z. Mota C. Por su apoyo, cariño y por haber compartido conmigo tantos momentos felices. A mis amigos. Carlos Marcial J., Gerardo Bonilla M., Miguel Mancilla R., Abel P. Ochoa A., Patricia Velásquez G., América Carmona, Hortencia Segura M., Gabriela Mota G., Raúl Cartas R., Hugo Hernández H. Alberto Treviño, José A. Pérez G., Roberto C. Martínez G., Miguel A. López M., Marco A. de Román M., Gabriel Camporredondo, Antonio Villegas C., Edgar, Ricardo Alcudia V., Nora Mendoza M. Por ser como son, por su confianza y por brindarme su amistad y ayuda incondicional. A mi asesor Dr. Alexandre Michtchenko y comisión revisora formada por: Dr. Walter H. Fonseca A., Dr. Vladimir Kazakov E., Dr. Edgar Krötzsch G., Dr. Roberto Linares Y M. y M en C. Raúl Peña R. por sus consejos y apoyo. A la Srta. Claudia Hernández A. Por su amistad y por haber contribuido a la realización de este trabajo. A todos los profesores y trabajadores de ESIME y CINESTAV que de alguna manera directa o indirecta colaboraron con su trabajo para que lograra mis objetivos.

“Las ciencias aplicadas no existen, sólo las aplicaciones de la ciencia” Louis Pasteur

Índice.

Resumen / Abstract ..........................................................................................................8

Introducción......................................................................................................................9

Objetivo. ............................................................................................................................11

Justificación.......................................................................................................................11

Capítulo 1 – Diodo láser...................................................................................................12

1.1. Características de la luz láser ...............................................................................13

1.2. Principio de funcionamiento del diodo láser.........................................................14

1.3. Tipos de diodos láser.............................................................................................17

1.4. Características y parámetros de diodos láser.........................................................19

1.5. Fuentes de alimentación para diodos láser. ...........................................................22

1.5.1. Modo de corriente constante..................................................24

1.5.2. Modo de potencia constante ..................................................24

1.6. Precauciones con el circuito de polarización ........................................................26

1.7. Temperatura de operación y disipadores de calor .................................................26

1.8. Mediciones de potencia de emisión.......................................................................27

1.9. Seguridad con diodos láser....................................................................................27

1.10. Conclusiones........................................................................................................29

Capítulo 2 – Bioestimulación con láser ..........................................................................30

2.1. ¿Qué es bioestimulación?......................................................................................31

2.1.1. Bioestimulación por métodos químicos ................................31

2.1.2. Bioestimulación acústica .......................................................31

2.2. Bioestimulación por luz.........................................................................................31

2.2.1. La luz solar y la radiación láser .............................................32

2.2.2. La luz y sus efectos biológicos en plantas.............................33

2.2.3. Aplicaciones de los láseres en biología .................................34

2.2.4. Longitud de onda y monocromaticidad de la luz ..................35

2.2.5. Importancia de la intensidad y tiempo de aplicación ............37

2.2.6. Otros efectos importantes ......................................................38

Capítulo 3 – Experimentos en semillas ..........................................................................40

3.1. Materiales y métodos.............................................................................................41

3.2. Primeras observaciones y conjeturas.....................................................................44

3.3. Distribución de frecuencias e histograma .............................................................45

3.4. Resultados .............................................................................................................49

3.5. Conclusiones .........................................................................................................57

Capítulo 4 – Diseño del equipo láser...............................................................................58

4.1. Requisitos del equipo ............................................................................................59

4.2. Descripción del equipo..........................................................................................59

4.3. Circuito de la fuente de alimentación....................................................................60

4.4. Etapa del controlador.............................................................................................62

4.4.1. Circuito electrónico ...............................................................62

4.4.2. Programación.........................................................................64

4.4.2.1.Rutina de temporizado........................................................65

4.4.2.2.Rutina de despliegue...........................................................66

4.4.2.3.Rutina de atención al teclado..............................................68

4.5. Matriz de láseres....................................................................................................69

4.5.1. Descripción............................................................................69

4.5.2. Modificaciones al circuito original........................................70

4.5.3. Prototipo 1 .............................................................................72

4.5.4. Prototipo 2 .............................................................................74

4.6. Pruebas del sistema y características.....................................................................74

4.7. Conclusiones .........................................................................................................77

5.1 Desarrollo al futuro ....................................................................................................78

Conclusiones finales..........................................................................................................79

Referencias ........................................................................................................................81

Apéndice A ........................................................................................................................83

A.1 Diagrama eléctrico completo del sistema láser .....................................................84

A.2 Encapsulados y configuración de dispositivos ......................................................85

A.3 Tabla de comandos para el display de cristal líquido............................................85

A.4 Diagrama mecánico del prototipo 1 de matriz de láseres ......................................86

A.5 Diagrama mecánico del prototipo 2 de matriz de láseres ......................................86

Resumen Este trabajo está basado en la investigación de los efectos de fotobioestimulación

que se presentan en semillas de trigo, pepino y lechuga al ser irradiadas por luz láser con

longitud de onda de 650 nm. A partir de los resultados de estos experimentos se diseñaron y

construyeron dos equipos electrónicos para excitar diodos láser, los cuales permiten aplicar

luz con las características de longitud de onda, intensidad, y tiempo adecuados para

provocar los efectos de fotobioestimulación. Los equipos poseen un diseño adaptable a

diferentes tipos de diodos láser con características diferentes de polarización y hacen

posible el uso de 1 a 40 diodos láser de manera simultánea.

Los efectos de fotobioestimulación se evaluaron de diversas formas, por ejemplo,

por el aumento en la velocidad de crecimiento de las semillas germinadas, aumento en el

porcentaje de semillas geminadas. Las investigaciones de este tipo son nuevas a nivel

internacional y hasta el momento no existen trabajos que reporten efectos de

fotobioestimulación empleando una longitud de onda de 650nm.

Abstract This work is based on the investigation of the fotobioestimulation effects on

wheat, cucumber and lettuce seeds previously irradiated by 650 nm wavelength laser light.

From these results were designed and built two electronic equipments based on laser

diodes. They are appropriate in wavelength, intensity, and time for the fotobioestimulation

effects. These equipments have an adaptable design for driving different kinds of laser

diodes with different biasing characteristics and make possible to use simultaneously 1 to

40 laser diodes.

The fotobioestimulation effects were assessed by different ways, higher growth of

the germinated seeds and an increase in the percentage of sprouted seeds. These kinds of

research are novel in the world and until now there are not published work employing 650

nm wavelength lasers.

8

Introducción.

En recientes publicaciones, se menciona que la luz roja puede activar y desactivar

diferentes genes en células [1]. También se ha encontrado que mediante el uso de láseres

como el de He-Ne puede activarse en plantas un crecimiento acelerado, un aumento en la

taza de germinación y/o una mejor resistencia a enfermedades y plagas [4,7,15,22,24,29-

31].

Los láseres nos permiten aplicar dosis de luz altamente monocromática con una

eficiencia e intensidad mayor a la que se obtendría mediante otras fuentes, como la luz solar

o lámparas acopladas a filtros especiales. Actualmente la optimización de los procesos de

manufactura de diodos láser y su gran demanda han provocado la disminución de sus

precios [2], lo que hace del diodo láser un elemento adecuado para este tipo de

investigaciones y aplicaciones. Existen parámetros que son determinantes para que se

produzcan los fotobioestimulación. Se ha concluido del análisis de trabajos existentes [3,8-

12, 14,17-21,23] que estos parámetros son la monocromaticidad de luz, su longitud de onda

(λ, nm), la densidad de irradiación (I, mW/cm2) y el tiempo de aplicación (t, s). También se

encontró que los efectos de fotobioestimulación provocados en el sistema biológico se

mantienen por un tiempo determinado aún después de retirar la fuente de luz [19].

En este trabajo no se explican ni se investigan las reacciones químicas o procesos

metabólicos que tienen lugar cuando se presentan los efectos ya mencionados. El sistema

biológico (semilla) será tratado como una “caja negra” en la que se aplica un estímulo láser

y se evalúa la respuesta a éste. Aunque el estudio de estos efectos, se ha estado realizando

desde hace décadas, se carece de trabajos completos que describan en que medida y con

qué características debe aplicarse la luz para producir efectos de fotobioestimulación útiles.

Por esto, es necesario desarrollar un equipo experimental que determine los parámetros

óptimos de irradiación.

Se desarrolló un equipo electrónico para polarizar diodos láser con corriente de

operación de 30 mA y longitud de onda de 650 nm. El equipo cuenta con un control de

tiempo de exposición, que permite irradiar semillas y provocar efectos de

9

fotobioestimulación en ellas. También tiene la capacidad de aumentar el número de diodos

láser controlados mediante dos componentes adicionales por cada diodo láser que se

requiera (El número de láseres está limitado por la capacidad de corriente de la fuente de

alimentación). Su diseño empleando un microcontrolador lo hace flexible a actualizaciones

y mejoras en cuanto a funciones y características de temporizado.

Este trabajo de tesis está organizado de la siguiente forma: En el capítulo 1 se habla

sobre diodos láser, características de emisión, diferencias entre luz láser y luz de otro tipo

de fuente luminosa, parámetros eléctricos, métodos de polarización y precauciones de

operación. En el capítulo 2 se establece el concepto de bioestimulación, los efectos de la luz

en plantas y la importancia de parámetros de la luz como son longitud de onda, intensidad y

tiempo de aplicación para que estos efectos se presenten. También se muestran los trabajos

que se han realizado en el campo de la fotobioestimulación en bacterias y plantas,

empleando láseres de He-Ne principalmente, en ninguno de estos trabajos se utilizan diodos

láser. Para poder determinar los requerimientos del equipo de fotobioestimulación fue

necesario experimentar primero con semillas para obtener magnitudes de intensidad y

frecuencia mínimas y máximas, por lo que en el capítulo 3 se muestran los resultados

obtenidos y el método de análisis de los experimentos en semillas de pepino, trigo y

lechuga. En el capítulo 4 se presenta el diseño del equipo, etapas que lo forman y pruebas

funcionales de éste. Por último, en el capítulo 5 se presentan algunas de las sugerencias y

trabajos a futuro para este equipo.

10

Objetivo.

Diseñar y construir un equipo de fotobioestimulación basado en un

microcontrolador para aplicarse en investigaciones de crecimiento acelerado

de semillas.

Justificación.

Actualmente el aumento en la producción agrícola se logra con técnicas

como la protección de cultivos, los fertilizantes y sistemas de riego. Pero estas

posibilidades han sido ya optimizadas y no serán suficientes para cubrir todas

las necesidades futuras de alimentación. Es por ello que surge la necesidad de

emplear nuevas tecnologías que permitan aumentar las cosechas. Mediante el

diseño y construcción del equipo electrónico propuesto en este trabajo, se

aportará información que permitirá conocer los parámetros de irradiación para

los cuales se obtiene un crecimiento acelerado importante en las semillas. La

retroalimentación de esta información aplicada al rediseño del equipo servirá

para optimizar el funcionamiento de éste.

11

Capítulo 1

Diodos láser.

Capítulo 1 – Diodos láser 12

1.1 Características de la luz láser.

La eficacia con la que una fuente de luz convierte la energía empleada a luz se llama

eficiencia. Si existiera una fuente se luz que irradiase toda a energía recibida en forma de

luz en la región de 555 nm (amarillo – verde) produciría aproximadamente 680 lúmenes por

cada Watt de potencia consumida. Una fuente teórica de luz blanca de eficiencia máxima

emitiendo solo luz visible produciría 200 lúmenes por Watt. Puesto que la mayoría de las

fuentes de luz emiten inevitablemente luz infrarroja se pierde parte de la energía de entrada

por conducción y convección. La eficiencia de una lámpara incandescente es menor a la de

una fluorescente y la eficiencias de cada una de ellas es mucho menor a la de un láser.

La luz que proviene de un láser es diferente a la de cualquier otra fuente de luz

conocida. Su ancho espectral es relativamente angosto y su longitud de onda de emisión

está bien definida. A diferencia de una fuente de luz incandescente, la cual emite fotones de

manera aleatoria en espacio y tiempo, el láser lo hace de manera ordenada, o correctamente

dicho emite luz coherente. Si midiéramos la densidad de potencia de una fuente

incandescente de 100 W a 1 m de distancia, mediríamos solo 0.8 mW/cm2

aproximadamente. La medición anterior empleando un láser de CO2 de 100 W produce una

intensidad 88 W (110 000 veces más que fuente incandescente), éste rayo puede enfocarse

hasta obtener un área de 0.127 mm con una densidad de potencia de 800 KW/cm2.

La luz láser posee dos tipos de coherencia, espacial y temporal. La coherencia

espacial de la luz se define en una armonía de las fases de las ondas de luz a diferentes

puntos en el espacio. Las ondas espacio-coherentes con ayuda de un sistema óptico

adecuado pueden ser enfocadas en un área del orden de la longitud de la onda de luz

restringida por la difracción. A diferencia de un láser, la radiación de una fuente de luz no

coherente enfocada en un punto no puede producir un efecto térmico apreciable.

La coherencia temporal de la luz significa que existe armonía de las fases de las

ondas de luz en un punto en el espacio durante un intervalo de tiempo definido τcoh.

Cualquier radiación con un ancho espectral radv∆ posee coherencia temporal durante el

intervalo de tiempo llamado tiempo de coherencia, definido por la ecuación siguiente:

radcoh vq ∆≅τ


Sin embargo, la alta coherencia de la luz es necesaria pero insuficiente para establecer

una interacción de tipo coherente con la materia. Es forzoso considerar las propiedades

coherentes del material mismo.

En condiciones de equilibrio, las fases de las funciones de onda de las partículas de un

material que se encuentran en cualquier estado cuántico están distribuidas aleatoriamente,

es decir, no están armonizadas entre ellas mismas. El rompimiento de las fases de las

funciones de onda ocurre a una tasa de 1/T2, en donde T2 es determinado por el estado del

material y por moléculas que se encuentran en un medio condensado a temperatura

ambiente. De manera que existirá un interacción coherente entre luz y materia si la tasa de

rompimiento del sistema cuántico excede la tasa de relajamiento 1/T2.

1.2 Principio de funcionamiento del diodo láser.

El elemento activo de un diodo láser es un dispositivo de estado sólido no muy

diferente al de un LED. Se puede pensar en un LED como un láser sin cavidad de

retroalimentación. Cuando se añade un cavidad con alto Q, la retroalimentación puede ser

lo suficientemente alta como para que se dispare el efecto láser. La mayoría de los diodos

láser tiene su cavidad interconstruida pero hay otros que poseen cavidad externa.

La adición de la cavidad de alto Q decrece drásticamente el número de modos de

operación (de hecho, es inadecuado hablar de la estructura de modos con un LED). El

resultado es que la línea de emisión que se vuelve más angosta que la de un LED (más

monocromática) y el rayo también lo hace espacialmente. Sin embargo, la línea no será tan

angosta como la de un láser de gas.

La primera configuración para un diodo láser de baja fue la llamada “homo-unión”

puesto que existe solo una unión P-N. Este tipo de diodo láser puede funcionar únicamente

en modo pulsado debido al calentamiento que se presenta. Solo mediante el enfriamiento

con nitrógeno líquido se le puede hacer funcionar en modo continuo. Conforme se

mejoraron las técnicas de fabricación, se fueron añadiendo más capas de otros materiales a

la configuración homo-unión para formar un diodo láser “hetero-unión”, figura 1.1. El más

simple de ellos está formado por GaAs y capas de ALGaAs.


Fig. 1.1 Esquema de un láser hetero-

unión.

Un bosquejo de un diodo del láser del tipo encontrado en un apuntador láser o

reproductor de CD se muestra en la figura 1.2. El tamaño del encapsulado es típicamente de

5 a 10 mm pero el diodo láser real es de menos de 1 mm de longitud, figura 1.3.

Fig. 1.2 Encapsulados típicos de diodo láser.

El rayo principal tal como emerge desde el diodo láser altamente divergente y en

forma de cuña (a diferencia de un láser de He-Ne) con una divergencia típica de 10 a 30

grados. La óptica externa es requerida para producir un rayo paralelo y colimado. Un

simple lente convexo de distancia focal corta funcionará razonablemente bien para este


propósito, pero los módulos láser y apuntadores láser deben usar lentes con por lo menos

una de las superficies aesféricas.

Fig. 1.3 Vista del chip semiconductor de un diodo láser de semiconductor.

Debido a la naturaleza de la unión emisora que produce un diodo láser, la divergencia

desigual (10 x 30 grados) de un diodo láser es algo astigmática. De manera que la distancia

focal requerida para colimar el rayo en X y Y difiere muy ligeramente. Así, una lente

cilíndrica adicional o una sola lente con una curvatura astigmática es necesaria para

compensar totalmente esta característica. Sin embargo, la cantidad de astigmatismo es

normalmente relativamente pequeña y puede ignorarse a generalmente. La forma del rayo

en general es elíptica o rectangular pero esto puede volverse circular con un par de prismas.

La luz de estos diodos láser es generalmente linealmente polarizada. Se puede

confirmar fácilmente incluso con el apuntador láser reflejando sobre un ángulo de 45

grados a través de un pedazo de cristal (no reflejante). Girando el indicador y mirando la

reflexión, habrá un mínimo y máximo muy distintos con la forma alargada del rayo a un

intervalo cercano cuando es alineado con el cristal y cuando se le coloca perpendicular,

respectivamente.


La parte de atrás de los diodos láser está acoplada a un fotodiodo que normalmente se

usa en una etapa de la retroalimentación opto-electrónica para regular la corriente y

consecuentemente la potencia del rayo. El fotodiodo está montado en un ángulo para que la

reflexión no interfiera con el funcionamiento del diodo láser.

Algunos diodos láser pueden usar la reflexión de la óptica externas junto con el

fotodiodo externo para la estabilización de potencia puesto que es más exacto ya que la

salida del rayo se está monitoreando constantemente. Para estos tipos de construcción

nunca se debe intentar limpiar o incluso enfocar la lente cuando se está operando cerca de

la potencia máxima porque puede perturbar la retroalimentación y se puede dañar el diodo

de láser.

1.3 Tipos de diodos láser.

El diodo láser o diodo de semiconductor difiere de otros tipos de láseres en los

siguientes aspectos:

• Transiciones banda a banda.- En los láseres convencionales, las

transiciones cuánticas ocurren entre niveles de energía discretos, mientras que

en los diodos láser las transiciones son asociadas con las propiedades de la

banda del material.

• Tamaño compacto.- Los láseres de semiconductor presentan un

tamaño mucho menor que los otros tipos de láseres.

• Angulo de divergencia de radiación.- La región activa de un láser de

semiconductor es muy ancha (1 µm o menos de espesor), de manera que la

divergencia del rayo láser es considerablemente mayor que la de otro tipo de

láser.

• Alta eficiencia.- Puesto que la energía eléctrica puede ser convertida

directamente en fotones, los diodos láser poseen la más alta eficiencia de todos

los tipos de láseres.

• Modulación directa a alta frecuencia.- Un diodo láser puede ser

modulado mediante la modulación directa de la corriente de polarización.


Existe una gran diferencia entre un diodo láser y los láseres de gas o de estado sólido

(Aunque no todas estas diferencias representan desventajas). Es difícil hacer un diodo láser

con una línea de emisión mas angosta que la de un láser de gas. Añadiendo longitud a la

cavidad de un láser en general tiende a hacer más angosta su línea de emisión (en el espacio

espectral, una cavidad con alto Q hace también lo mismo con el rayo en el espacio). Es

posible usar una cavidad más larga, con alto Q en un diodo láser a fin de incrementar su

coherencia.

Los diodos láser más comunes son aquéllos usados en los reproductores o unidades

de CD y DVD. Los primeros producen un rayo invisible en la parte del infrarrojo cercano

del espectro a una longitud de onda de 780 nm. Y los de DVD emiten en 650 nm

generalmente (rojo). El rendimiento de poder óptico de los diodos láser sin elementos

ópticos puede ser de 5 mW pero una vez atraviesa la etapa óptica, está típicamente en el

intervalo de 0.3 a 1 mW.

Los diodos láser visibles han reemplazado a los láseres de helio-neón en las cajas de

los supermercados, los escáneres de UPC y otros escáneres del código de barras; los

apuntadores láser; los dispositivos de posicionamiento en pacientes en la medicina (es decir

escáneres de resonancia magnética y sistemas de plan de tratamiento de radiación); y

muchas otras aplicaciones. Los primeros diodos láser visibles emitían a una longitud de

onda de alrededor de 670 nm en la parte roja profunda del espectro. Más recientemente,

650 nm y 635 nm en las que los diodos láser rojos han bajado mucho de precio y son más

utilizados.

Debido a la no uniformidad de la respuesta del ojo humano, luz a 635 nm parece más

de 4 veces más luminosa que la misma potencia a 670 nm. Así, los más nuevos

apuntadores láser y otros dispositivos que se benefician de la visibilidad están usando estos

nuevos dispositivos. Actualmente, éstos son substancialmente más caros que aquéllos que

emiten a 670 nm pero estos cambiarán tan pronto como los DVD’s se vuelvan más

populares:

Un beneficio lateral es que los reproductores de DVD y unidades de DVDROM

inservibles proporcionarán diodos láser visibles muy útiles para el experimentador.


1.4 Características y parámetros de diodos láser.

A continuación se describen parámetros importantes relacionados con los diodos láser

que se listan en las hojas de datos del fabricante para diodos láser de baja potencia (es decir,

5 mW). Algunos de estos parámetros generalmente se usan para los diodos láser de alta

potencia pero esos tipos de diodos láser no incluyen el fotodiodo monitor interno.

Términos que describen máximos intervalos admitidos.

• Temperatura de encapsulado (Case temperature, Tc).- Es la

temperatura medida en la base de su encapsulado.

• Temperatura de operación (Operating temperature, Topr).-

Intervalo de temperatura de encapsulado dentro de la cual puede

ser operado de manera segura.

• Potencia óptica de salida (Optical power output, Po).- Es la

potencia óptica máxima permitida ya sea en onda continua (CW)

o modo pulsado. Se considera que esta potencia es medida desde

el diodo láser sin ningún lente u objeto óptico dentro de la ruta de

medición.

• Voltaje inverso (Reverse voltage, VR).- Voltaje máximo

permitido cuando se polariza inversamente el diodo láser o el

fotodiodo. Para los diodos láser con fotodiodo sensor incluido,

este parámetro se define como VR(LD) para el diodo láser y

como VR(PD) para el fotodiodo.

• Temperatura de almacenamiento (Storage temperature, Tstg).- Es

la temperatura de encapsulado a la que el dispositivo puede ser

almacena de manera segura.

Términos que describen características electro-ópticas.

• Tiempo de caída (Fall time).- Es el tiempo requerido para que

salida óptica caiga del 90% al 10 % de su máximo valor.


• Tiempo de subida (Rise time).- Es el tiempo requerido para que la

salida óptica aumente del 10 % al 90% de su valor máximo.

• Modo de “brincos” (Mode hopping).- Cuando la temperatura de

un diodo láser aumenta, la longitud de onda de operación también

aumenta. En ves de cambios suaves en la longitud de onda, ésta

cambia de manera discreta. A este fenómeno se le llama como

mode hopping o modo de brincos.

• Corriente monitor (Monitor current, Im).- Es la corriente a través

del fotodiodo a un voltaje inverso especificado cuando el diodo

láser está produciendo una salida óptica típica.

• Corriente de operación (Operating current, Iop).- Es la corriente a

través del diodo láser cuando el diodo láser está produciendo una

salida óptica típica a una temperatura de operación especificada.

• Voltaje de operación (Operating voltaje, Vop).- El voltaje en

diodo láser polarizado directamente cuando el diodo láser está

produciendo una salida óptica típica a una temperatura de

operación especificada.

• Corriente de oscuridad del fotodiodo (Photodiode dark current,

ID(PD)).- Es la corriente a través del fotodiodo interno cuando el

diodo láser no está emitiendo.

• Pendiente de eficiencia (Slope Efficiency, SE o ηS).- Es el valor

promedio del cambio incremental en la potencia óptica para un

cambio incremental en la corriente de operación cuando el

dispositivo está operando en una región láser de la curva de

potencia óptica de salida vs corriente de operación.

• Corriente de umbral (Threshold current, Ith).- Es el límite entre la

emisión espontánea y la emisión estimulada que se muestra en

una gráfica de potencia óptica de salida vs corriente de operación

(Figura 1.4). Por debajo de la corriente de umbral, la salida óptica


se asemeja a la de un LED común. Por encima de la corriente de

umbral, el dispositivo comienza a producir luz láser.

Fig. 1.4 Curva de polarización del diodo láser.

Una corriente de umbral típica de un diodo láser es de 40 mA a

temperatura ambiente. Por encima del umbral, la potencia óptica

de salida se incrementa linealmente con la corriente.

Potencia óptica de salida

Máxima potencia óptica de salida

Corriente máxima

Corriente de umbral

Corriente de polarización

• Longitud de onda (Wavelength, Ip).- Es la longitud de onda

emitida por un diodo láser.

Términos que describen características ópticas.

• Aspecto (Aspect ratio, AR).- es la proporción de los ángulos de

divergencia del diodo láser, θ ⊥(perpendicular) y θ || (paralelo).

Un diodo láser con una divergencia perpendicular del 27 º y una

divergencia paralela de 9 º tiene un rayo del elíptico con un

aspecto de 3:1.

• Astigmatismo (Astigmatism, AS o DAs).- el astigmatismo está

definido como la distancia entre dos fuentes aparentes. Un rayo

láser aparenta tener diferentes fuentes para las direcciones

perpendicular y paralela del plano de unión..


• Divergencia del rayo (Beam divergente, θ ⊥ y θ ||).- Se le conoce

también como ángulo de radiación. La divergencia del rayo es

medida como el punto del ángulo completo y la mitad de la

intensidad máxima (Full width half maximun, FWHM).

• Eficiencia de acoplamiento (Coupling efficiency).- el rayo

proveniente del diodo láser diverge según las especificaciones de

divergencia del rayo. Cuando se acopla un diodo láser con un

rayo ampliamente divergente hacia una lente o cualquier otro

dispositivo como una fibra óptica, el resultado es típicamente

menos de 100% de eficiencia de acoplamiento. La eficiencia

acoplamiento está definida como el porcentaje total de potencia

óptica de salida que efectivamente entra el dispositivo externo.

• Patrón de intensidad de campo lejano (Far field pattern, FFP).-Es

el perfil de intensidad del rayo láser cuando se le mide a una

distancia de la cara frontal del diodo láser.

• Patrón de intensidad de campo cercano (Near field pattern,

NFP).- Es el perfil de intensidad del rayo láser cuando se le mide

en la cara frontal del diodo láser.

1.5 Fuentes de alimentación para diodos láser.

A diferencia de los LED’s, los diodos láser requieren de un circuito de polarización de

corriente controlada. Existe una corriente máxima que no debe ser excedida ni por un µs,

este tiempo depende del dispositivo en particular así como de la temperatura de la unión.

Esta sensibilidad al exceso de corriente se debe a la gran retroalimentación positiva que se

presenta cuando se produce el efecto láser. Daños a las caras finales (espejos) pueden

ocurrir casi instantáneamente a partir de los campos eléctrico y magnético concentrados en

el rayo láser. La regulación de lazo cerrado usando retroalimentación óptica para estabilizar

la potencia del rayo es usualmente implementada para compensar las variaciones del

dispositivo y la temperatura.


A continuación se listan algunas precauciones (para el dispositivo) que deben

tomarse en cuenta cuando se trabaja con diodos láser.

• Descarga electrostática.- Los diodos láser son dispositivos

extremadamente sensibles y los diodos láser visibles tienden a ser el tipo más

sensible. Las precauciones de manejo descritas por los fabricantes deben ser

atendidas y puede ser necesario el trabajo con equipo correctamente

aterrizado.

• Circuitos de manejo.- Los diodos láser siempre deben ser polarizados

mediante por alguno de estos dos métodos: corriente constante o control

automático de potencia. Los circuitos típicos consisten de etapas de encendido

lento, eliminación de picos y transitorios. Independientemente del tipo de

circuito usado, la corriente de polarización nunca debe exceder el valor

máximo permitido. Un exceso de esta corriente por incluso 1 ns dañará los

espejos internos de la cavidad.

Las características de un diodo láser son altamente dependientes de la temperatura del

chip. La longitud de onda de un diodo láser típico de GaAlAs se incrementará en el orden

de 0.25nm para un incremento de 1 ºC en la temperatura. Esta variación puede ocasionar un

efecto indeseable conocido como “mode hops” o “mode-hopping”, que se caracteriza por

un cambio en la longitud de onda de emisión.

Otras características que están directamente relacionadas con la temperatura de

operación del diodo láser son: La corriente de umbral, longitud de onda, curva de eficiencia

y tiempo de vida. Posiblemente la relación entre la potencia óptica de salida y la corriente

de inyección es la más importante, en este caso, la potencia óptica de salida disminuye

cuando se incrementa la temperatura de operación y aumenta cuando disminuye la

temperatura de operación.

Sin límites o medidas de seguridad agregadas al circuito de polarización del diodo

láser, una variación de la temperatura dentro de un intervalo amplio puede ocasionar daños

en el láser. Para evitar estos riesgos existen dos esquemas de polarización para diodos láser,

estos son el modo de corriente constante y el modo de potencia constante.


1.5.1 Modo de corriente constante.

El modo de corriente constante junto con un control de temperatura de operación es

generalmente el más adecuado. Este método provee un lazo de control rápido y una

corriente de referencia (mediante el fotodiodo sensor) para monitorear de manera precisa la

corriente de operación del diodo láser. Generalmente no es deseable emplear este método

sin un control de temperatura, una significativa disminución de la temperatura de operación

incrementaría la potencia óptica de salida y podría excederse la potencia máxima permitida.

La fuente de la figura 1.5 funciona en lazo abierto (no tiene retroalimentación óptica)

pero ha sido diseñado para permitir una modulación segura. Es adecuado mientras no se

trate de hacer funcionar al diodo láser en los intervalos máximos de corriente y potencia.

R1 - ajusta la corriente del diodo láser. TP1 – Monitor de corriente, 1V = 100mA. TP2 – Corriente del fotodiodo. Todos los resistores son ½ W.

+

MOD

TP2

LD-K

FD

-A

10

5.1 V

FD-K10

-

R147

VCC

1k+

10 uF

GND

LM7805/TO

1

3

2VIN

GN

D

VOUT

+100 uF

TP1

100k

IRF510

1k

22

LD-A

1k

Fig. 1.5 Fuente de alimentación de lazo abierto, en modo de corriente constante, el fotodiodo sensor no

es utilizado para el control de la corriente de polarización del diodo láser.

1.5.2 Modo de potencia constante.

Este modo de operación elimina la posibilidad de que la potencia óptica de salida

aumente al disminuir drásticamente su temperatura de operación. Sin embargo, si el

disipador del diodo láser es inadecuado y la temperatura se operación se incrementa, la

potencia óptica disminuirá. Esto provocará que el circuito incremente la corriente de

polarización del diodo láser en un intento de mantener constante la potencia óptica de


salida. El láser resultará dañado si se permite un incremento de temperatura en el

dispositivo.

La mayoría de los diodos láser tienen incorporado un fotodiodo sensor, que sirve

como un sensor de la potencia óptica de salida, éste fotodiodo forma parte del circuito de

retroalimentación óptica del circuito manejador del láser y modifica la corriente de

polarización en función de la potencia de salida para que ésta sea constante. Un diagrama

típico para un diodo láser con la etapa de retroalimentación óptica es mostrado en la figura

1.6

Batería (-)

I1

LD

D1

IPD

Q2NPN

3

2

1

R31

R2510

Q1PNP

32

1

ILDBatería (+)

R1120k

Fotodiodo1

2I2

Fig. 1.6 Fuente de alimentación con etapa de

retroalimentación óptica, la corriente de polarización del

diodo láser es controlada por el fotodiodo sensor.

Se utiliza un transistor PNP en el lazo de retroalimentación para regular la corriente

del diodo láser. Sin embargo, aunque se emplea una retroalimentación óptica de poco valor,

parece no tener una referencia real. Por lo tanto, la potencia de salida dependerá del voltaje

de la batería, nominalmente 4.5V y la ganancia de Q2.

El análisis es el siguiente:

( )(XPI SALPD = ) ,

En donde la potencia está en mW y X es la sensibilidad del fotodiodo monitor en

(µA/mW). es aproximadamente igual a l1I PD (menos la corriente de base de Q1).

( )( )111 RIVR =

7.012 −−= RBATEIAR VVV


22

2 RVI R=

El punto de operación dependerá ligeramente de la ganancia de ambos transistores Q1

y Q2 pero si el producto de sus hfe’s es alto, para un valor dado del voltaje de las baterías,

la potencia de salida del láser será completamente constante.

1.6 Precauciones con el circuito de polarización.

Incluso cuando se ha elegido un circuito de polarización adecuado para el diodo láser,

se debe prestar atención a las conexiones para evitar falsos contactos entre el diodo láser y

el circuito de polarización. Una conexión intermitente en las terminales de fotodiodo sensor

destruirá al dispositivo en el caso de polarización en modo de potencia constante. En el

caso de usar un potenciómetro para controlar la potencia del diodo láser debe considerarse

la posibilidad de falle la conexión del potenciómetro con el elemento resistivo del mismo.

Tampoco deben emplearse interruptores o relevadores para apagar o encender el diodo

láser.

1.7 Temperatura de operación y disipadores de calor.

En la mayoría de las aplicaciones los diodos láser requieren de disipadores de calor y

más aún cuando operan en modo continuo (CW). Si un método de disipación de calor

adecuado la temperatura de unión del diodo láser se incrementará rápidamente causando

que la potencia óptica de salida se degrade.

Si la temperatura continua incrementándose, al llegar al límite máximo de operación

el diodo láser se dañará o su desempeño disminuirá drásticamente. Generalmente una

temperatura adecuada de operación extiende la vida útil del diodo láser. Para aplicaciones

en las que la temperatura ambiente es relativamente alta y se requiere de una alta

estabilidad en la forma de emisión debe considerarse el uso de celdas peltier como método

en enfriamiento.

La corriente del diodo también afecta parcialmente la longitud de onda debido a la

temperatura. De manera que cuando un diodo láser envejece y requiere más corriente para

la misma salida, su longitud de onda también cambia.


Esto realmente depende del láser (fabricante) y del intervalo de temperatura del que se

está hablando. Una buena regla de tanteo es 0.3 nm por °C sobre el intervalo de

temperatura de operación del dispositivo.

Los “mode hops” causan un desplazamiento de la longitud de onda de emisión. Un

diodo láser puede operar a una temperatura específica en donde no haya modo de brincos

en ese momento, pero días después cuando la temperatura sea diferente habrá un modo de

brinco a esa temperatura.

Incluso si tiene el circuito electrónico adecuado para trabajar en condiciones de baja

temperatura, existe una longitud de oda mínima que puede obtenerse a partir de un diodo

láser particular. Lo que obtendrá al enfriar el diodo láser, es bajar el nivel de la corriente de

umbral, la corriente de operación y alargar el tiempo de vida1 .

1.8 Mediciones de potencia de emisión.

La potencia de salida de un diodo láser debe realizarse mediante un medidor óptico de

potencia o un fotodiodo de área grande. No es práctico ni seguro estimar la potencia óptica

de salida basándose en los parámetros mínimos y máximos de la hoja de datos del

fabricante, ya que cada diodo láser tiene características de operación únicas. Hay que tener

presente que una vez que el diodo láser pasa el punto de polarización de umbral, se

consigue la emisión láser y la potencia óptica de salida se incrementa significativamente

para pequeños incrementos en la corriente de polarización directa.

1.9 Seguridad con diodos láser.

A pesar de su pequeño tamaño y relativamente baja potencia de salida, los diodos

láser representan un riesgo significante para la vista. Esto es especialmente verdad cuando

la salida está colimada y/o invisible (infrarrojo cercano), y con una potencia óptica de

salida típica de 3 a 5 mW. Por lo menos no existe el riesgo de recibir una descarga eléctrica

por cualquier voltaje alto de la fuente de alimentación (como en un láser de HeNe o de

Argón). No debe mirarse directamente hacia ningún rayo láser, especialmente si es

1 A principios de los 80, la única manera de obtener un diodo láser emitiendo luz visible era usando enfriamiento criogénico. El

primer diodo láser visible a temperatura ambiente fue inventado por 1991.


colimado. Se deben usar métodos indirectos para determinar una operación apropiada,

como puede ser proyectando el rayo en una tarjeta de papel, usando un detector de IR, un

probador o un medidor de potencia láser.

Los diodos del láser de reproductores de CD operan a 780 nm (cerca del IR, casi

invisible). Mientras seguramente está envuelto dentro del pickup óptico, los riesgos son

bastante pequeños porque el rendimiento normalmente está menos de 1 mW y el rayo que

sale es muy divergente. Sin embargo, si se hacen modificaciones al pickup (como quitar la

lente objetiva), 5 mW del rayo colimado puede producir quemaduras en la retina del ojo,

sin que la persona sea consciente del problema.

Los diodos láser rojos visibles comunes, módulos de diodo láser, y apuntadores láser

producen de 1 a 5 mW a diferentes longitudes de onda entre 670 y 635 nm. Cuando están

colimados (como en el caso de un apuntador láser) el rayo puede entrar en el ojo y causar

agujeros por la quemadura de la retina. Note que luz a 635 nm parece para el ojo humano

alrededor de 5 veces más intensa que la luz a 670 nm. Por consiguiente, el brillo claro de

una fuente no es una indicación fiable del poder óptico real.

Aunque no existen accidentes confirmados o lesiones causados por apuntadores láser

con potencia de 5 mW o menos. Existen muchas reclamaciones fraudulentas sobre esto.

Los apuntadores son extremadamente brillantes, pueden causar distracción visual, manchas

visuales, y otros efectos, como dolores de cabeza, pero bajo las condiciones de uso

comunes, no causan lesiones en los ojos. Sin embargo, no existe razón alguna por la cual

mirar directamente hacia el rayo.

Las unidades ópticas re-escribibles pueden usar diodos láser IR produciendo decenas

de mW. Una unidad de CD-R típica ajusta la potencia del láser a un valor entre 3 y 5 mW

para lectura y entre 25 y 30 mW para escritura. De hecho, como la respuesta del ojo

humano al IR-cercano es una indicación débil de luz roja, uno puede llegar a la conclusión

falsa de que se trata de un rayo láser visible débil cuando el poder óptico real es superior en

10,000 veces y el daño ya se ha producido en la retina.

Los diodo láser IR son considerados mucho más peligrosos y por consiguiente están

en una clase superior. Existe una curva de potencia contra longitud de onda que se usa para

determinar las clases de seguridad. La única manera de la que un láser IR logra colocarse


por abajo de la clase IIIb (peligroso) es si el rayo está totalmente encerrado o es de potencia

muy baja.

Actualmente, los apuntadores láser verdes no son diodos láser simples, son diodos de

bombeo de estado sólido de frecuencia doblada (DPSSFD). Para una potencia dada, el

verde parece substancialmente más luminoso que las longitudes de onda rojas pero también

está limitado a una potencia máxima de 5 mW. Sin embargo, puesto que hay diodos láser

IR de alta potencia dentro de un apuntador verde y no todos incluyen un filtro del IR

adecuado, podría haber otros peligros que acechan aun cuando la potencia de salida es débil

o casi nula.

1.10 Conclusiones.

Para el diseño de una fuente de alimentación para diodos láser deben tomarse en

consideración los siguientes puntos:

1. La variación en la temperatura de operación del diodo láser modifica la

longitud de onda de emisión y la potencia óptica de salida.

2. Los circuitos manejadores con lazo cerrado requieren de un control de

temperatura preciso y permiten una potencia óptica y longitud de onda de

salida estable.

3. Los circuitos manejadores de lazo abierto son generalmente son más sencillos

de implementar pero la potencia de salida no es tan estable como en los de

lazo cerrado.


Capítulo 2

Bioestimulación con láser.

Capítulo 2 – Bioestimulación con láser 30

2.1 ¿Qué es bioestimulación?

La bioestimulación es un fenómeno que se presenta en sistemas biológicos (células,

bacterias y plantas) cuando éstos se someten a un tipo de estímulo. Los estímulos pueden

ser físicos (acústicos), químicos, eléctricos, electrostáticos, magnéticos o electromagnéticos

(luz, microondas, etc.). Éstos pueden ser aplicados directamente a las células,

microorganismos, semillas, plantas o suelo.

2.1.1 Bioestimulación por métodos químicos.

Este tipo de tecnología ha sido empleada durante varios años para aumentar las

cosechas, protegerlas y mejorar su calidad. Mediante el uso de fertilizantes se puede

mantener una concentración adecuada de minerales en el suelo, con esto, una planta puede

tener un desarrollo óptimo.

2.1.2 Bioestimulación acústica.

El crecimiento de las plantas puede ser estimulado por sonido con frecuencias entre 3

y 50 kHz. Mediante un generador de sonido usado a aproximadamente 1.5 m y durante 30

minutos se puede estimular el crecimiento de la planta. Pero la planta no debe ser tratada

por más de tres horas al día ya que morirían en 1 o 2 meses dependiendo de la calidad e

intensidad del sonido. Frecuencias elevadas y con alta intensidad tienden a causar ruptura

celular.

2.2 Bioestimulación por luz.

La luz es un factor importante para casi cualquier proceso biológico ya sea de una

manera directa o indirecta. La vida en la tierra depende fundamentalmente de la energía

solar, la cual es atrapada mediante el proceso de la fotosíntesis. La fotosíntesis ocupa el

primer lugar en importancia, ya que la generación de materia orgánica por parte de los

vegetales constituye el primer eslabón de la cadena de la vida. Los efectos que provoca la

luz sobre sistemas biológicos aún están en investigación y en los últimos años los láseres

han permitido estudiar con mayor detalle los efectos de bioestimulación.


2.2.1 La luz solar y la radiación láser.

La luz láser difiere de la luz normal en varias características: Sus ondas están

sincronizadas en tiempo y espacio (coherencia), la luz emitida es intensa, altamente

monocromática y direccional comparada con la luz de otras fuentes convencionales.

Los efectos de fotobioestimulación que la radiación láser puede producir en los

sistemas biológicos pueden ser diferentes de los provocados por la luz normal ya que el alto

coeficiente de penetración y la naturaleza monocromática de ésta, hacen del láser una

herramienta invaluable para gran cantidad de aplicaciones en la biología puesto que la luz

de estas características no se recibe de manera natural por los sistemas biológicos.

Podría pensarse que la luz solar filtrada en el espectro adecuado producirá los

mismos efectos de bioestimulación que un láser, pero el uso de filtros reduciría en gran

parte la potencia final del sistema y la energía total recibida sería menor que la obtenida por

un láser.

En la figura 2.1 se ilustra una gráfica de potencia vs longitud de onda del espectro

solar comparándolo con el espectro de emisión de un láser y el de otra fuente artificial

diferente al láser. Nótese que la curva para la radiación solar (1) el ancho espectral es de

aproximadamente 600 nm. La curva 2 representa una fuente luminosa con un filtro que

tiene un ancho espectral de aproximadamente 400 nm, por último, la curva 3 representa el

espectro de emisión de un láser, su ancho espectral puede ser en el peor de los casos de 10

nm.

En los trabajos existentes sobre el tema [3,8-12, 14,17-21,23], se emplean láseres

de He-Ne mientras que en este trabajo se emplean diodos láser. Los láseres de He-Ne

presentan un rayo menos divergente y de mayor pureza espectral que un diodo láser sus

longitudes de onda son de 632.8 nm y 650 nm respectivamente. Lo cual no representa

problema para esta aplicación ya que los efectos se manifiestan dentro de ancho espectral

relativamente ancho en comparación a estos tipos de láser.


Figura 2.1 Espectros de emisión del sol, una fuente artificial y un

láser. 1- Espectro solar fuera de la atmósfera. 2- Espectro solar al

nivel de mar. 3- Espectro de una fuente de luz con filtros especiales.

4- Espectro de un láser.

Además de la monocromaticidad del láser, la densidad de energía es alta en

comparación con las otras fuentes de luz. Por ejemplo, la energía recibida al nivel del mar

proveniente del sol es de aproximadamente 100 mW/cm2, esta energía está distribuida en el

espectro luminoso desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, pero con un láser ésta energía

puede estar distribuida dentro de un ancho de 1 a 10 nm.

2.2.2 La luz y sus efectos biológicos en plantas.

Las células de las plantas poseen una serie de proteínas llamadas fitocromas,

algunas de éstas rigen el comportamiento de la planta ante las condiciones de iluminación

del ambiente en el que se encuentra como la intensidad luminosa (I), dirección de la luz,

longitud de onda (λ) y periodicidad (t).

Estos fotorreceptores las hacen sensibles al entorno luminoso de una manera tal

que pueden detectar, la estación del año en función de la duración del día y la noche


(fotoperiodismo), por ejemplo. El fotoperiodismo también explica el porqué algunas clases

de plantas solo crecen en determinadas latitudes del planeta.

Las plantas pueden tener 5 tipos de fitocromas y aunque existe cierta similitud

entre la función de los diferentes fitocromas, existen funciones que son únicas para cada

uno de ellos, de hecho algunos de estos receptores responden mejor a ciertas longitudes de

onda que los otros no y viceversa. Estudios de carácter genético y fotobiológico han

revelado que este grupo de proteínas juegan un papel muy importante en los periodos de

floración, reproducción, percepción de plantas vecinas y su evasión, germinación,

transición entre estado vegetativo y reproductivo, etc.

Los fitocromas también producen efectos a nivel molecular y celular, controlan la

producción de cloroplastos, inhibición o producción de otras células y el flujo de iones a

través de la membrana celular.

Para ejemplificar lo anteriormente dicho, consideremos el fenómeno de la

etiolación que se presenta en las plantas que son cultivadas en lugares con poca iluminación

o en la oscuridad. Bajo estas condiciones el tallo de la planta crece mucho más rápido de

cómo lo hace el tallo de una planta en condiciones normales de iluminación, lo cual

demuestra que los fotorreceptores presentes en la planta tienden a acelerar el crecimiento

del tallo y así elevar la probabilidad de que la planta alcance la luz antes de que se acaben

sus nutrientes.

En el momento en que la planta comienza a recibir luz, las cotiledóneas se abren,

crecen hojas verdes y la planta empieza a crecer a la velocidad normal.

Se ha demostrado que la luz en la banda del infrarrojo lejano, la luz roja y la luz azul

pueden llegar a detener la etiolación. Se ha encontrado que componentes individuales del

espectro solar suelen actuar de manera diferente que lo harían mediante el espectro solar

completo (Luz blanca).

2.2.3 Aplicaciones de los láseres en biología.

El interés por los efectos de fotobioestimulación que produce la luz roja de baja

intensidad en sistemas biológicos ha crecido los últimos años. El uso del láser de He-Ne

con longitud de onda de 632.8 nm ha sido de gran utilidad para experimentar con luz rojo

pero hoy en día existen diodos láser que producen radiación muy similar a la de un láser de


He-Ne. Comúnmente los diodos láser se fabrican para trabajar en longitudes de onda de

650 nm aunque también se pueden encontrar en longitudes de onda de 630 nm. Pero

últimamente los láseres han ido disminuyendo su costo debido a los procesos de

manufactura y a su demanda [2], lo cual permite la experimentación de estos efectos de

fotobioestimulación con dispositivos que poseen una tecnología nueva, compacta,

relativamente económica y más eficiente que otros sistemas láser.

Todas las aplicaciones biomédicas de los láseres están basadas en la interacción de la

luz láser con los sistemas biológicos. Dicha interacción causa una gran gama de efectos que

pueden ser divididos en tres grupos diferentes.

• luz láser de baja intensidad es absorbida, reflejada o radiada por la sustancia

de manera que no ocurren cambios en ella. Dicha interacción forma las bases

para los diagnósticos láser.

• Luz ultravioleta y visible de baja intensidad puede excitar estados electrónicos

en moléculas, y ocurren efectos fotobiológicos específicos debido a la

excitación de cromóforos en la célula. A éste tipo interacción pertenece la

fotobioestimulación.

• Radiación láser de alta intensidad causa daño a tejidos. Estos procesos rara

vez se observa bajo la acción de fuentes de luz incoherente y fundamentan la

cirugía láser.

2.2.4 Longitud de onda y monocromaticidad de la luz.

El grado de penetración de la luz en un tejido está determinado principalmente por

dos diferentes propiedades del tejido, la dispersión y la absorción. Las longitudes de onda

cortas (hacia el ultravioleta) son dispersadas en mayor magnitud que las longitudes de onda

largas (hacia el infrarrojo) y por lo tanto penetran mucho menos. De manera general, en luz

UV y el espectro visible, mientras más larga sea la longitud de onda más profunda es la

transmisión en el tejido. Para longitudes de onda del orden de 600 a 1200 nm, la

penetración es mayor debido a la poca dispersión. Podemos concluir rápidamente que la luz

roja y la del infrarrojo cercano son casi transparentes para los tejidos.


Lo anteriormente dicho, explica porqué los experimentos de fotobioestimulación en

sistemas biológicos del tamaño de semillas requieren de luz con alta penetración como la

roja e infrarroja. No siendo así para el estudio con bacterias o microorganismos en los

cuales se pueden emplear longitudes de onda desde el infrarrojo hasta el ultravioleta.

En la gráfica de la figura 2.2, se muestran los efectos de fotobioestimulación para

bacterias E. Coli para una intensidad de 400 mW/cm2 en función de su longitud de onda

[19]. Como se puede ver, hay efectos máximos para longitudes de onda de 454, 560, 620 y

730 nm.

Figura 2.2 Espectro de acción de E. Coli como estimulación del

crecimiento por luz visible monocromática [19].

Estos efectos son importantes porque demuestran una clara dependencia de éstos

hacia la longitud de onda de la luz empleada. Lo que nos hace reflexionar también en el

papel que juega la monocromaticidad de la luz, es decir el ancho espectral. Para una

longitud de onda de aproximadamente 630 nm (posiblemente un láser de He-Ne, 632.8

nm), se tiene u efecto máximo de fotobioestimulación, pero si desplazamos la longitud de

onda hacia cualquier dirección el efecto tiende a disminuir.


2.2.5 Importancia de la intensidad y tiempo de aplicación.

La figura 2.3 muestra la respuesta a diferentes dosis de irradiación y longitudes de

onda para bacteria de E. Coli. Todas las curvas son similares y presentan un umbral, un

máximo y un decremento [19].

Figura 2.3 Dependencia de dosis y estimulación de crecimiento para E.

Coli en función de la longitud de onda (560, 750, 632.8, 454 nm) [19].

Se observa que el grado de fotobioestimulación depende de la dosis empleada, pero el

término de dosis en realidad es insuficiente para determinar bajo que condiciones si existe

un efecto de fotobioestimulación, como se observa en la grafica de la figura 2.4 [19]. En

este experimento, nuevamente con bacteria E. Coli, se empleó un a longitud de onda fija

(454 nm) y una dosis constante de 300 mJ/cm2. Los dos ejes de la parte inferior

corresponden a la intensidad y al tiempo aplicado, el producto de estos dos parámetros da

como resultado la dosis. Es claro que existe un efecto de estimulación máximo, pero éste

depende de una intensidad y un tiempo específicos. En este caso esos valores son 20

mW/cm2 y 15 s, si cambiamos cualquiera de estos dos parámetros los efectos disminuyen o

desaparecen. Aquí se demuestra la importancia de encontrar una intensidad y un tiempo

óptimos de irradiación.


Figura 2.4 Respuesta a la estimulación del crecimiento de E.Coli

para una λ=454 nm y dosis constante de 300 mJ/cm2, con

intensidades y tiempos de irradiación variables [19].

2.2.6 Otros efectos importantes.

En la figura 2.5 [19] se pueden observar los efectos en células de levadura y sus

brotes o “células hijas” expuestas a luz roja. La luz solo es aplicada al inicio del

experimento y las células se ponen en un medio de cultivo para examinar su respuesta hasta

10 horas después de la dosis inicial.

El número de células expuestas y sus brotes llega a ser mayor que en las células de

control. Después del periodo de retraso se presenta un crecimiento exponencial. La gráfica

muestra que el lapso de tiempo de retraso de las células irradiadas y el de las de control no

difiere, y que la diferencia principal en las curvas de crecimiento es la tasa de crecimiento

exponencial en el caso de las células irradiadas.


Figura 2.5 Curvas de crecimiento (Medidas como los cambios en el número de

células y brotes) para un cultivo no irradiado de T. sphaerica y un cultivo

irradiado con λ= 632.8 nm e I = 420 mJ/cm2 [19].

Este comportamiento se presenta también en las plantas, ya que los dosis de luz láser

se aplican por un periodo de tiempo relativamente pequeño (10 a 120 segundos), los efectos

se manifiestan tiempo después de haber sido irradiados.

Existen publicaciones [29] en las que se describen los efectos obtenidos al

experimentar con diversos tipos de vegetales como son maíz, frijol, soya, tomate, pepino,

cebolla, espinaca, entre otros. Los efectos de fotobioestimulación encontrados son variados,

crecimiento acelerado, resistencia a enfermedades y hongos, aumento en la tasa de

germinación y resistencia al estrés.

La mayoría de estos trabajos se realizan con láseres de He-Ne, pero no se han

empleado diodos láser como fuente de estímulo. De aquí la importancia de experimentar

con nuevas tecnologías como lo es el láser de semiconductor, el cual posee características

espectrales de emisión similares a las de un láser de He-Ne, solo que el láser de

semiconductor tiende día a día a ser más económico y fácil de adquirir.


Capítulo 3

Experimentos en semillas.

Capítulo 3 – Experimentos en semillas 40

3.1 Materiales y métodos.

Como punto de partida se tomó la decisión de utilizar semillas de pepino para los

experimentos, ya que son relativamente fáciles de manipular para su selección y proceso de

radiado, pero también se emplearon semillas de trigo, y lechuga posteriormente. Todas las

semillas fueron seleccionadas de acuerdo con su tamaño, color y forma. Además, todas las

semillas fueron adquiridas la misma fecha y en base a esto podemos decir que sus

características eran similares.

Cada tratamiento está formado por grupos de 25 semillas acomodadas dentro de

cajas de plástico y sobre papel filtro, al cual se le añaden 30 ml de agua. No se utilizaron

fungicidas o substancias nutrientes para la semilla y a pesar de esto la aparición de hongos

fue esporádica. Para cada caso, se hicieron 4 tratamientos (100 semillas por caso), esto con

el fin de distribuir aleatoriamente los tratamientos dentro de la cámara de germinación (a 25

ºC) y con esto tratar de homogeneizar estadísticamente los resultados.

Se irradiaron muestras con las siguientes intensidades: 2.5, 5, 10, 20 y 30

mW/cm2, y con cada grupo de muestras irradiadas con las diferentes intensidades se irradió

durante los siguientes tiempos: 10, 15, 20, 30, 60 y 120 s (Tabla 3.1). Las muestras

incubadas en un día deben contar con sus respectivas muestras de control para poder

comparar los posibles efectos de bioestimulación contra semillas con un crecimiento

normal.

La dosis aplicada a las semillas solo se administra antes de ser colocadas en las

cajas d germinación, y no se les vuelve a radiar durante el tiempo de germinación. Esto

quiere decir que de encontrarse efectos de bioestimulación, estos son debidos únicamente a


la dosis aplicada al inicio del experimento. Las muestras fueron analizadas una semana

después de su preparación para determinar el porcentaje de muestras que lograron germinar

con respecto a las muestras de control de ese mismo día.

Láser utilizado: 30 mW, 650 nm.

120

20

30

10

5

2.5

Control6030201510 120

20

30

10

5

2.5

Control6030201510

Tiempo en segundos.

Inte

nsi

dad e

n m

W/c

m2

Caja con 25 semillas

Tabla 3.1 Planeación de los tratamientos para los experimentos en semillas. Cada caja contiene 25

semillas y se prepararon 4 cajas por tratamiento, se entiende por tratamiento al grupo de semillas

irradiadas con la misma dosis (tiempo e intensidad).

Se irradiaron las muestras empleando un láser de semiconductor de 630 nm y 30

mW de potencia (Fig. 3.1) para obtener las diferentes intensidades se varió la distancia

entre el punto de emisión y el área de irradiación. Consecuentemente para intensidades altas

se tiene un área menor que para intensidades bajas. La dosis aplicada a las semillas solo se

administra antes de ser colocadas en las cajas de germinación, y no se les vuelve a irradiar

durante el tiempo de germinación. Esto quiere decir que de encontrarse efectos de


fotobioestimulación, estos son debidos únicamente a la dosis aplicada al inicio del

experimento, lo cual puede ser entre 10 y 120 s. Las muestras fueron analizadas una

semana después de su preparación para determinar el porcentaje de muestras que lograron

germinar con respecto a las muestras de control de ese mismo día y se determinó el grado

de desarrollo midiendo la longitud del tallo, ya que según especialista en esta área, este es

un punto de referencia importante para determinar su desarrollo.

Emisor láser

Área de irradiación

Semillas en proceso de irradiación

Figura 3.1 Láser de semiconductor empleado en los experimentos con semillas de pepino,

trigo y lechuga, (λ=650 nm, P=30 mW)

Los datos obtenidos deben pasar por ciertas pruebas cualitativas que avalen su

confiabilidad y permitan encontrar tendencias importantes. Como primer paso, se

ordenaron de forma ascendente los datos de cada tratamiento y se realizaron gráficos de

histogramas para tener una idea de su distribución.


3.2 Primeras observaciones y conjeturas.

Es difícil tomar decisiones a partir de datos que están en desorden, por este motivo es

necesario ordenar los datos recibidos en un “arreglo ordenado”, que es un listado de todos

los valores desde el valor más pequeño al valor más grande. Como ejemplo, pueden verse

las tablas 3.2 y 3.3 Los datos de la tabla 3.2 corresponden a las mediciones de longitud

hechas a un grupo de semillas de trigo que han germinado después de un tiempo

determinado y que antes de ser colocadas en germinación fueron irradiadas con luz

monocromática de 650 nm de longitud de onda, con una intensidad de 30 mW/cm2 y

durante un tiempo de 10 s.

Crecimiento (cm.) 11.2 10.8 7.9 9.7 8.2 6.2 6.1 7.5 7.0 6.5 6.4 12.0 7.2 6.6 6.5 7.8 7.5 6.9 6.6 7.9 7.8 7.5 6.9 10.9 8.8 7.0 7.0 8.2 8.1 7.7 8.9 8.6 6.5 7.8 7.1 8.8 8.2 8.2 7.4 9.0 8.5 8.4 7.5 9.1 8.7 8.4 7.5 9.4 5.3 7.9 9.6 9.5 8.1 8.6 8.7 7.4 9.0 8.6 7.9 4.3 9.0 10.4 8.0 9.7 9.0 8.7 8.0 9.8 9.4 8.7 8.1 11.2 9.6 8.8 8.5 10.0

10.1 9.1 8.6 10.2 10.5 9.9 8.2 8.7 10.0 9.0

12.2 10.2 9.1 6.0 7.7 9.2 8.5 10 7.8

Tabla 3.2 Mediciones en desorden recibidas de

un tratamiento de 100 semillas, los espacios en

blanco corresponde a semillas no germinadas

(30 mW/cm2 – 10s).

Crecimiento (cm.) 4.3 7.7 8.6 9.6 5.3 7.7 8.6 9.6 6.0 7.8 8.6 9.7 6.1 7.8 8.6 9.7 6.2 7.8 8.7 9.8 6.4 7.8 8.7 9.9 6.5 7.9 8.7 10.0 6.5 7.9 8.7 10.0 6.5 7.9 8.7 10.0 6.6 7.9 8.8 10.1 6.6 8.0 8.8 10.2 6.9 8.0 8.8 10.2 6.9 8.1 8.9 10.4 7.0 8.1 9.0 10.5 7.0 8.1 9.0 10.8 7.0 8.2 9.0 10.9 7.1 8.2 9.0 11.2 7.2 8.2 9.0 11.2 7.4 8.2 9.1 12.0 7.4 8.2 9.1 12.2 7.5 8.4 9.1 7.5 8.4 9.2 7.5 8.5 9.4 7.5 8.5 9.4 7.5 8.5 9.5

Tabla 3.3 Mediciones ordenadas de forma

ascendente, de la tabla 3.2.


Como puede verse, los datos están en desorden y es difícil establecer algunas

conjeturas. No lo es así para la tabla 3.3, en la que los datos han sido ordenados en orden

ascendente y es posible ver algo de información. Podemos ver que el crecimiento varía

desde 4.3 a 12.2 cm, lo cual es un intervalo de 7.9 cm, también que existe un mayor número

de ocurrencias con un valores de 7.5, 8.2, 8.7 y 9.0 cm. Un arreglo puede mostrar la

presencia o ausencia de concentración de ciertos valores, en este caso, los valores entre 4.3,

5.3, 12.0 y 12.2 cm son menos comunes.

No es fácil estimar a partir de un arreglo el valor del crecimiento promedio,

especialmente si se están manejando un gran número de observaciones. Para ello se puede

recurrir a otra forma de presentación de datos llamada distribución de frecuencia.

3.3 Distribución de frecuencias e histograma.

La distribución de frecuencia presenta los datos de manera que se pueden visualizar

fácilmente. Esto se puede ver en la tabla 3.4 la distribución de frecuencia proporciona tanto

el valor de las observaciones como la frecuencia con que aparece este valor. En la columna

de la izquierda se pueden observar los valores mínimo y máximo y en la columna de la

derecha se indica cuál de los valores es el más frecuente. Esta tabla nos proporciona mayor

información de la que teníamos anteriormente, pero aún presenta cual ha sido el

crecimiento promedio de las plantas.

Crecimiento (cm) Frecuencia Crecimiento

(cm) Frecuencia

4.3 1 8.9 1 5.3 1 9.0 5 6.0 1 9.1 3 6.1 1 9.2 1 6.2 1 9.4 2 6.4 1 9.5 1 6.5 3 9.6 2 6.6 2 9.7 2 6.9 2 9.8 1 7.0 3 9.9 1 7.1 1 10.0 3 7.2 1 10.1 1 7.4 2 10.2 2


7.5 5 10.4 1 7.7 2 10.5 1 7.8 4 10.8 1 7.9 4 10.9 1 8.0 2 11.2 2 8.1 3 12.0 1 8.2 5 12.2 1 8.4 2 8.5 3 8.6 4 8.7 5 8.8 3

Tabla 3.4 Tabla de distribución de frecuencia

obtenida a partir de los datos ordenados de la tabla

3.3.

Para refinar la presentación de datos, se pueden emplear los “intervalos clase” para

condensar datos. Los intervalos clase son intervalos contiguos seleccionados

arbitrariamente y no traslapables de manera que cada uno de los valores del conjunto de

datos puede ser puesto en uno y solo uno de los intervalos clase. Esto se hace dividiendo el

intervalo (El valor más bajo al valor más alto) en intervalos iguales de un tamaño dado, y

después tabulando las frecuencias asociadas con cada intervalo. El número de intervalos

clase depende del número de observaciones, mientras más observaciones se realicen más

intervalos se requerirán. Generalmente se recomienda usar entre 5 y 15 intervalos clase

[22].

Existe una metodología más específica para encontrar el número de intervalos clase

se llama la “regla de Sturges” y es como se muestra a continuación:

( )nk 10log*322.31+=

Donde, k = número de intervalos clase.

n = número de observaciones.

En el caso del ejemplo tenemos un número de observaciones de 95 de manera que:

( ) 86.795log*322.31 10 ≅=+=k

Para 95 observaciones se tiene que pueden ser representadas por 8 intervalos clase.

En la tabla 3.5 se muestran los 8 intervalos y las frecuencias asociadas a ellos. Estas


frecuencias de intervalos son sumadas a partir de la frecuencia de cada observación incluida

en el intervalo.

Clase Crecimiento (cm) Frecuencia

1 4.0- 5.0 1

2 5.1 – 6.1 3

3 6.2 – 7.2 14

4 7.3 – 8.3 27

5 8.4 - 9.4 29

6 9.5 – 10.5 15

7 10.6 – 11.6 4

8 11.7-12.7 2

Tabla 3.5 Tabla de clases obtenida a partir de los datos de la tabla 3.4

De la tabla 3.5 se puede interpretar lo siguiente: Una planta tuvo un crecimiento entre

4 y 5 cm, 3 plantas tuvieron un crecimiento entre 5.1 y 6.1 cm, 14 plantas tuvieron un

crecimiento entre 6.2 y 7.2 cm, etc. Hay que tener en cuenta que ya no se tiene toda

información que se tenía en las tablas anteriores, pero ahora se puede obtener un a idea más

general del experimento y los datos están representados de una manera más concisa.

La información de la tabla 3.5 también puede ser presentada como un “histograma”

y/o “polígono de frecuencias”, mostrados en la figura 3.2 Un histograma es una serie de

rectángulos cuyas áreas son proporcionales a la frecuencia con que se presenta un valor

dentro del intervalo clase. El polígono de frecuencia es el polígono resultante al unir los

puntos medios de los intervalos clase.


5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00

Crecimiento (cm)

5

10

15

20

25

Frec

uenc

ia

Figura 3.2 Histograma y polígono de frecuencias.

La presentación de los datos de forma de histograma o polígono es una decisión

personal. Ambas nos proporcionan una idea de cual es el valor promedio estimado y

presentan como distribuyen los datos dentro del intervalo.

Si los intervalos clase fueran más pequeños y el número de puntos de datos se

incrementara, una línea mas “suave” podría ser dibujada para aproximarse a una

distribución continua de datos. Ésta es llamada curva de distribución. La mayoría de las

distribuciones son del tipo “campana” o normal. Sin embargo en sistemas biológicos

pueden llegar a obtenerse otros tipos de distribuciones como son las tipo J, U o sesgadas.

Los datos también pueden ser presentados gráficamente empleando un histograma de

frecuencia relativa. Cuando las distribuciones de frecuencia son convertidas a frecuencias

relativas o porcentajes, simplemente estamos dividiendo la frecuencia del intervalo clase

por el número total de observaciones bajo estudio. La frecuencia relativa esta dada por [22]:

nfrelativaFrecuencia i=_

Donde, fi = frecuencia del intervalo.

n = número de observaciones.

De manera que el porcentaje para el intervalo clase es:


100*nfPorcentaje i=

En la tabla 3.6 se muestran la frecuencia relativa y sus porcentajes para los datos de

ejemplo que se han estado tratando.

Clase Crecimiento (cm) Frecuencia Frecuencia relativa Porcentaje (%)

1 4.0- 5.0 1 0.0105 1.05

2 5.1 – 6.1 3 0.0316 3.16

3 6.2 – 7.2 14 0.1474 14.74

4 7.3 – 8.3 27 0.2842 28.42

5 8.4 - 9.4 29 0.3052 30.52

6 9.5 – 10.5 15 0.1579 15.79

7 10.6 – 11.6 4 0.0421 4.21

8 11.7-12.7 2 0.0211 2.11

Tabla 3.6 Tabla de frecuencia relativa y porcentajes.

3.4 Resultados.

Primero se realiza un análisis de correlación entre las 4 muestras de cada caso,

esto es determinar anomalías en los datos recibidos que podrían ser causadas por diversas

razones como cambios en la temperatura, humedad, luz, calidad de la semilla, etc. Si existe

una buena correlación entre ellas, quiere decir que las condiciones que experimentaron

durante la semana de germinación fueron similares para las muestras, a pesar de que fueron

colocadas en diferentes lugares de la cámara de germinación.

En la figura 3.3 se muestra el gráfico de dispersión para el caso de semillas de

trigo que fueron irradiadas con una intensidad de 2.5 mW/cm2 durante un tiempo de 10 s.

En este gráfico observamos una correlación positiva entre los cuatro tratamientos (T1, T2,

T3 y T4).


Longitud (cm)

12111098765

Long

itud

(cm

)

14

12

10

8

6

4

T3T4

T2T4

T2T3

T1

T4

T1

T3

T1

T2

Fig. 3.3 Gráfica de dispersión para semillas de trigo irradiadas con I = 2.5

mW/cm2, t = 10s (Trigo)

En tabla 3.7 se presentan los coeficientes de correlación para el mismo caso,

nótese que sus coeficientes son cercanos a 1, lo cual indica una buena correlación como se

observaba en la gráfica.

T1 T2 T3 T4 T1 1 0.986 0.967 0.976 T2 0.986 1 0.979 0.980 T3 0.967 0.979 1 0.965 T4 0.976 0.980 0.965 1

Tabla 3.7 Coeficientes de correlación entre tratamientos irradiados con I= 2.5 mW/cm2, t = 10 s (Trigo).

Una vez que se ha encontrado un grado de correlación aceptable entre las

muestras del caso, se procede a juntar los datos de todas las muestras para elevar el número

de observaciones a un valor estadísticamente grande.


Ahora podemos construir un histograma a partir de los datos unidos, este gráfico

se muestra en la figura 3.4 En esta gráfica se observa que se trata de una distribución

normal.

Histograma para trigo (2.5 mW,10 s)

4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0

T10

0

5

10

15

20

25

30

No

of o

bs

T10: N = 97, Mean = 8.9, StdDv = 1.6, Max = 12.8, Min = 5.2

Fig. 3.4 Histograma para semillas de trigo irradiadas con I =2.5 mW/cm2, t = 10 s

(Trigo).

La figura 3.5 muestra el gráfico de dispersión para las muestras de control, el cual

también observa una buena correlación. La tabla 3.7 y la figura 3.6 son los respectivos

coeficientes de correlación e histograma para control.


4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00control1control2control1control3control1control4control2control3control2control4control3control4

Fig. 3.5 Gráfica de dispersión para semillas de trigo de

control para trigo.

Control 1 Control 2 Control 3 Control 4

Control 1 1 0.925 0.898 0.879 Control 2 0.925 1 0.980 0.968 Control 3 0.898 0.980 1 0.947 Control 4 0.879 0.968 0.947 1

Tabla 3.7 Coeficientes de correlación entre los tratamientos de control.


Histograma para control (trigo 2.5 mW,10 s)

3 5 7 9 11 13 15

Control

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

Control: N = 96, Mean = 8.7, StdDv = 1.8, Max = 13.5, Min = 4.0

Fig. 3.6 Histograma para semillas de trigo de control

Este análisis se realiza para cada caso y una vez terminado se hacen gráficos con

los valores promedio obtenidos. De los cuales presento a continuación los más relevantes.

La figura 3.7 muestra los resultados para semillas de pepino, los casos son:

Intensidades de 2.5, 5, 10 y 20 mW/cm2 con tiempos de 60, 120 y 300 segundos. Se

observa que el mayor porcentaje de crecimiento se presenta un tiempo de alrededor de 60 s

y que los efectos tienen la tendencia de disminuir para tiempos mayores

independientemente de la intensidad. Para el caso de 10 mW/cm2 y 30 segundos se tiene el

efecto de crecimiento máximo, siendo este de un 42 % con respecto a control.


Fig. 3.7 Gráfica de crecimiento para intensidades de 2.5, 5, 10 y

20 mW/cm2 con tiempos de 60, 120 y 300 segundos (Trigo).

La figura 3.8 corresponde a los resultados con semillas de lechuga, este caso es para

intensidades de 2.5, 5, 10, 20 y 30 mW/cm2 con un tiempo de 30 segundos. Aquí podemos

observar un crecimiento del 52 %.

Control 2.5 5 10 20 30

100

110

120

130

140

150

160

Cre

cim

ient

o (%

)

Intesidad (mW/cm2)

Fig. 3.8 Gráfica de crecimiento para intensidades de 2.5, 5, 10 y

20 y 30 mW/cm2 con un tiempo de 30 segundos (Lechuga).


La grafica de la figura 3.9 muestra los resultados para semillas de trigo, la intensidad

usada es de 20 mW/cm2 con tiempos de 10, 15, 20, 30, 60 y 120 segundos. Se puede

observar que existen dos puntos máximos, uno en 10 segundos con un crecimiento del 10

% y el otro en 60 segundos con un crecimiento del 2.5 %. Con un tiempo de 20 segundos se

tiene un efecto negativo del 5% lo cual hace notar la importancia de una intensidad y

tiempo adecuados ya que los efectos pueden disminuir drásticamente con una variación

ligera de alguno de los parámetros.

Control 10 15 20 30 60 120

95

100

105

110

Trigo, λ = 650 nm, I = 20 mW/cm2

Cre

cim

ient

o (%

)

Tiempo (s)

Fig. 3.9 Gráfica de crecimiento para una intensidad de 20

mW/cm2 con tiempos de 10, 15, 20, 30, 60 y 120 segundos (Trigo).

Con respecto a los puntos máximos obtenidos, este efecto se repite en otros casos

aunque con menor intensidad (Figura 3.4.8). Desde el punto de vista práctico no tiene

sentido irradiar con tiempos mayores a los elegidos puesto que los efectos tienden a

disminuir cuando aumenta el tiempo.

En la figura 3.10 se observa nuevamente el efecto de 2 puntos máximos para el caso

de 30 mW/cm2, sus magnitudes se encuentra disminuidas con respecto al caso de 20

mW/cm2. De esto último podemos decir que los efectos también disminuyen al aumentar la

intensidad de irradiación.


Control 10 15 20 30 60 12095

100

105

110Trigo, λ = 650 nm, I = 30 mW/cm2

Cre

cim

ient

o (%

)

Tiempo (s)

Fig. 3.10 Gráfica de crecimiento para una intensidad de 30

mW/cm2 con tiempos de 10, 15, 20, 30, 60 y 120 segundos (Trigo).

Mediante software dedicado al análisis estadístico es posible hacer gráficas en 3

dimensiones como la de la figuras 3.11.

.

Fig. 3.11 Gráfica de crecimiento para todos los casos de trigo, el eje x es

para intensidades, el eje y para tiempo y el eje z para el porcentaje de

crecimiento respecto a control, λ=650 nm.


Si bien este gráfico podría no dar una información cuantitativa exacta de los efectos

mínimos y máximos, es una buena manera de mostrar el comportamiento general del

sistema biológico mostrando su respuesta a todos los parámetros empleados.

3.5 Conclusiones.

1. Se encontró un aumento en la velocidad de crecimiento del 42 % para semillas

de pepino, 52 % en semillas de lechuga y 10 % en semillas trigo. También

existe aumento en el porcentaje de germinación de la semilla en un 30 % en

semillas de pepino y 4 % para trigo. El aumento en vigor de la semilla

representa un 32.5 % en trigo.

2. Los efectos significativos de crecimiento se encuentran para intensidades

entre 10 y 20 mW/cm2 con tiempo de aplicación de alrededor de 10 s. Esto

representa una ventaja en el caso de una aplicación en la que se requiera

irradiar un gran número de semillas ya que el tiempo de irradiación es

relativamente corto y solo se requiere de una dosis inicial.

3. El análisis estadístico empleado le proporciona confiabilidad a los datos

recibidos y es indispensable en experimentos con sistemas biológicos ya que

éstos varían su comportamiento en función de diversos factores externos

como temperatura, humedad e iluminación.


Capítulo 4

Diseño del equipo láser.

Capítulo 4 – Diseño del equipo láser 58

4.1 Requisitos del equipo.

De los experimentos realizados se sabe que el sistema láser requiere del control de

diodos láser que emitan en longitudes de onda de entre 630 y 670 nm y con intensidades

entre 2.5 y 30 mW/cm2. En el mercado existen diodos láser con longitudes de onda de 654,

656, 670 nm comúnmente y sus potencias de salida se encuentran entre 7 y 50 mW aunque

existen diodos láser de mayor potencia (100 mW). Sus corrientes de operación varían entre

20 y 100 mA y sus voltajes de operación entre 2 y 4.5 V. Se utilizaron diodos láser de

semiconductor (λ = 650nm, Voltaje de operación Vop = 4.5 V) de los cuales solo se tenían

estos parámetros. Se determinó su corriente de operación (Iop) y la potencia óptica de salida

(Po) midiéndolas en funcionamiento normal. En este caso Iop = 28 mA y Po = 10 mW/cm2.

El sistema láser debe ser capaz de adaptarse a varios tipos de diodos láser sin cambiar

radicalmente su diseño, poder operar con varios diodos láser (mínimo 10) y con el mínimo

de componentes, el motivo de este requisito es por la necesidad de construir una matriz de

láseres, de la cual se habla a detalle en la sección 4.5 “Matriz de láseres”.

4.2 Descripción del equipo.

El sistema láser está constituido principalmente por 4 etapas:

• La primera es la etapa de regulación de voltaje, ésta estabiliza el voltaje que

proviene de la fuente de DC.

• La segunda etapa es la de encendido, su función principal es la de eliminar

cualquier transitorio de encendido y/o apagado de la fuente de alimentación.

• A esta etapa se conecta la etapa de control que tiene por función realizar el

encendido y apagado del diodo láser de manera temporizada y si la aplicación

lo requiere, modulada, ya que existen trabajos [19] en los que se reporta que la

luz modulada también provoca efectos de fotobioestimulación. Por ello se

añade la posibilidad de modular la luz para futuros experimentos que no están

contemplados en este trabajo.


• La última etapa es la de limitación de corriente la cual permite polarizar el

diodo láser dentro sus márgenes seguros y evitando que se dañe por

sobrecorriente.

En la figura 4.1 se puede observar un diagrama a bloques del sistema descrito.

Regulación de voltaje

Etapa de encendido

Limitación de corriente

Temporizador

Ajuste de tiempo

Fuente de voltaje

Salidas para diodos láser

Modulador

Regulación de voltaje

Etapa de encendido

Limitación de corriente

Temporizador

Ajuste de tiempo

Fuente de voltaje

Salidas para diodos láser

Modulador

Fig. 4.1 Diagrama a bloques del equipo propuesto.

4.3 Circuito de la fuente de alimentación.

El circuito de la fuente de alimentación es simple comparado con otros tipos de

fuentes de poder para diodos láser. Su simplicidad se fundamenta en que no existe la

necesidad de filtros ni de circuitos de retroalimentación complejos que mantengan una

longitud de onda de emisión estable. Esta característica podría ser necesaria en aplicaciones

de telecomunicaciones en las que un desplazamiento en la longitud de onda representa una

transmisión con errores. En esta aplicación tenemos un ancho espectral de operación

relativamente ancho (40 nm aproximadamente) como para tener que mantener la longitud

de onda en un valor estable. Por este motivo no se incluyen etapas estabilizadoras en el

circuito que lo hagan más complejo, ya que se deben polarizar varios diodos láser y cada

láser debe llevar su propio circuito de polarización.


Lo que es indispensable, como se mostró en el capítulo 2, es mantener la corriente de

operación por encima de la corriente de umbral y por debajo de la corriente máxima de

operación, también eliminar picos de corriente o transitorios.

El circuito de regulación está formado por un regulador de voltaje LM317T que tiene

una capacidad de corriente de 1.5 A y voltaje variable (1.2 a 37 V) y ajustable mediante un

arreglo de resistencias (figura 4.2).

El voltaje de salida se ajustó a 4.5 V mediante el siguiente cálculo:

2*121 RI

RRVV adjrefout +⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

Iadj típicamente es de 50 µA, R2 de 240 Ω y Vref de 1.25 V, por lo tanto, para Vout de

4.5V:

Ω≈Ω=−

Ω

−=

−

−= 64004.630

50240

25.125.15.4

1

2AV

VV

IR

VVV

R

adjref

refout

µ

La etapa de encendido lento esta formada por Q1, C1 y R3. Cuando la fuente está

apagada, C1 se encuentra descargado y al encender la fuente Q1 entra en saturación

manteniendo el voltaje de salida en 0V, éste empieza a aumentar tan pronto C1 se empieza

a cargar por medio de R1 y R3 proporcionando un aumento suave en el voltaje de salida.

LM317T

31

2VINADJ

VOUT

LM317LZ

31

2VINADJ

VOUT

C1

MOD

Q1

2N3905

3

2

1

R4

37.7

R3 47 k

R547k

GND

10 nF

Diodo Láser (+)

R2

640

Vin

GND

R1

240

Fig. 4.2 Diagrama eléctrico de la fuente de alimentación propuesta para un diodo láser.


La etapa de limitación de corriente esta formada por el LM317LZ, el cual es una

versión de baja corriente (100 mA) del LM317T. La corriente límite se calcula de la

siguiente manera:

42.1

4lim RV

RV

I ref ==

Si la corriente máxima será de 35 mA, tenemos:

Ω== 7.3535

25.14mA

VR

Existe una resistencia con valor comercial de 35.7 Ω, pero debido a su disponibilidad

es posible que deba buscar el valor más cercano o emplear algunas resistencias en paralelo,

por ejemplo 3 de 120 Ω darían 40 Ω lo cual cambia la corriente limite a un valor de:

mAVI 3.314025.1

lim =Ω

=

La terminal MOD, es para que la etapa del controlador encienda y module el diodo

láser de una manera segura, sin apagar el regulador de voltaje.

4.4 Etapa del controlador.

4.4.1 Circuito electrónico.

El controlador tiene la función de encender y apagar el diodo láser dentro de los

tiempos especificados por el usuario. Para este fin se empleó un microcontrolador AVR

AT90S2313 de la compañía ATMEL, un teclado matricial, y un display de cristal líquido

de 16 caracteres x 2 renglones. El microcontrolador tiene la ventaja de contar con

temporizadores que sirven en esta aplicación para el conteo de tiempo. La programación es

relativamente sencilla y no requiere de costosos programadores, puesto que puede

construirse un programador básico con 5 componentes. La programación se facilita gracias

a que posee 30 registros de uso general, los cuales permiten el acceso directo a los

diferentes recursos del microcontrolador así como a la memoria del mismo. El diagrama

eléctrico se puede observar en la figura 4.3


AT90S2313

RESET1 XTAL24 XTAL15

VCC20

PB0/AIN012

PB1/AIN113

PB214

PB3/OC1 15

PB416

PB5/MOSI 17

PB6/MISO18

PB7/SCK19

PD0/RXD2

PD1/TXD3

PD2/INTO6

PD3/INT17

PD4/TO8

PD5/T19

PD6/ICP11

MOD

16 x 2LCD

39 pF39 pF

4MHz100k

0.1 uF

VCC

E R/WRS

10k

13

2

VSS

VCC

GND

D0-D

7

D4

12

D3

12

D2

12

D1

12

R4

R3

R2

R1

C4C3C2C1

Fig. 4.3 Diagrama eléctrico del controlador, esta etapa se encarga del temporizado y control de los

diodos láser.

El microcontrolador tiene la ventaja de requerir un mínimo de componentes externos

para su funcionamiento, solo se requiere del oscilador (formado por el cristal de cuarzo de

4MHz y los dos capacitares de 39 pF), el microcontrolador puede funcionar desde DC hasta

8 o 10 MHz dependiendo del modelo. La resistencia de 100k y el capacitor de 0.1 µF sirven

para proporcionar un retardo en la terminal “RESET” del microcontrolador al momento de

encendido. Esto garantiza que se aplique correctamente una señal de reset durante el inicio.

El microcontrolador es compatible con señales TTL y posee 2 kB de memoria

FLASH (para programas), 120 B de EEPROM y 128 B de RAM. También cuenta con

características como modulador de ancho de pulso, temporizadores de 8 y 16 bits,

comparador analógico, comunicación RS232, entre otras funciones.

El control del display y teclado se hace mediante 8 líneas de un puerto y se realiza de

manera multiplexada, evitando el uso de un microcontrolador con más líneas.

El teclado es de tipo matricial y su esquema interno se muestra en la figura 4.5. EL

display posee su propio controlador y su manejo se realiza por 8 líneas de datos por las

cuales se mandan los caracteres o palabras de control y 3 líneas de control RS, E y RW, con


las cuales se establece el tipo de dato y el flujo de la información. El potenciómetro sirve

para controlar el contraste del display.

Los diodos sirven para activar la interrupción externa del microcontrolador cuando es

presionada una tecla, en la siguiente sección se describen este tipo de procesos.

4.4.2 Programación.

El circuito controlador opera de la siguiente manera desde el momento en que se

enciende:

• Despliega la versión del software por unos segundos.

• Cambia al menú de temporizado desde el cual se observa el tiempo

preprogramado de 1 minuto. (el tiempo es programable entre 1 segundo y 10

minutos)

• Espera un comando. Los comandos son: “Inicia” (tecla A) y “Ajusta tiempo”

(tecla B).

• En el caso de presionar “Inicia”, se enciende el láser y el tiempo programado

empieza a disminuir con una resolución de 1 segundo. Cuando se ha

completado el tiempo ajustado se apaga el láser. Durante este modo solo

puede presionarse la tecla “Inicia”, que en este caso funciona como “Alto”, el

hacerlo reiniciará la cuenta del tiempo, apagará los láseres y entrará en modo

de “espera”.

• Si está en modo de “espera” y se presiona “ajuste”, el cursor se posiciona en

el dígito de minutos para que mediante el teclado se ingrese el valor deseado,

al terminar puede presionar la tecla “siguiente” (tecla C) con la que podrá

desplazarse indefinidamente entre los dígitos de minutos, y segundos. Para

terminar presione la tecla “Terminado” (tecla D).

Para explicar el programa del microcontrolador, se dividirá en diferentes secciones:

• Rutina de temporizado.

• Rutina de despliegue.

• Rutina de atención a teclado.


4.4.2.1 Rutina de temporizado.

Para hacer el conteo de los segundos se emplea el temporizador de 8 bits del

microcontrolador. Dicho temporizador tiene diferentes modos de funcionamiento, en este

caso se le emplea con “timer” con interrupciones activadas. Su base de tiempo está

conectada al reloj del sistema (4 MHz) y cuenta con un registro de división de frecuencias

entre 8, 64, 256 y 1024. Para hacer la cuenta de segundos se requiere de una frecuencia

relativamente baja por lo que se eligió el divisor de 256.

Cuando se habilita la interrupción del temporizador, éste interrumpirá al

microcontrolador cada vez que exista su “sobre flujo” en el registro de conteo, es decir cada

256 conteos (puesto que el temporizador es de 8 bits), el número de conteos por unidad de

tiempo está dado por la frecuencia del reloj del sistema y el ajuste del divisor de frecuencia,

entonces:

HzMHztimerdelFrecuencia 15625256

4__ ==

sHz

conteounporTiempo µ6415625

1___ ==

Como cada interrupción sucede cuando l registro de conteo se llena:

msssobreflujoporTiempo 38.16256*64__ == µ

Por lo tanto:

6104.6138.1611_____ ≈==

msssacumularparassobreflujodeNúmero

El quitar 0.04 se refleja en un error de:

smssError s µ1038.16611

1 =−= , por cada segundo

Que en 10 minutos representa:

msssError 6600*10min10 == µ

%001.0600

100*6% min10 ==s

msError , lo cual es aceptable para esta aplicación.


La rutina de atención a la interrupción de “sobre flujo”, lleva un conteo del número

de veces que se ha entrado en ella. Cuando se ha entrado 61 veces (que es el tiempo

equivalente a 1 segundo) incrementa un contador, que es el encargado de llevar los

segundos y minutos. Y en cada segundo se manda el estado de este contador hacia el

display para actualizar la lectura del tiempo.

4.4.2.2 Rutina de despliegue.

El display empleado es de cristal líquido, 16 caracteres por 2 renglones y con

microcontrolador integrado. Por ello, el despliegue de datos se lleva a cabo mediante ciertas

palabras de control. Para poder comunicarse con el AVR 2313, el display consta de 8 líneas

de datos y 3 de control de flujo. Por las líneas de datos circula el código ASCII del caracter

que se va a desplegar o un comando. Los caracteres desplegables junto con su código

ASCII se muestran en la figura 4.4.


Fig. 4.4 Caracteres imprimibles en el LCD.

Las líneas de control son RS, R/W y E, estas líneas sirven para controlar el flujo y

tipo de datos que circulan en el bus de datos del display. Mediante RS se le indica si los

datos en el BUS son de control (0) o un caracter (1). R/W es para determinar si se va a leer

una localidad de la memoria del display o si se va a mandar un comando o caracter. Por

último, E sirve como un comando de ejecución con el cual se acepta el código propuesto en

el BUS de datos.


4.4.2.3 Rutina de atención al teclado.

En la rutina del teclado se utiliza una de las interrupciones externas del

microcontrolador. Esto sirve para evitar el rastreo continuo del teclado, lo cual consume

tiempo y recursos. Al emplear la interrupción, el teclado solo es rastreado cuando se

presiona una tecla.

En el diagrama de la figura 4.3 podemos observar que existen 4 diodos conectados a

4 líneas del BUS de datos, los cátodos de los diodos están a un 1 lógico mediante la

programación del microcontrolador, las 4 líneas restantes tienen un nivel de 0 lógico.

Cuando se presiona una tecla, se unen una línea con una columna del teclado, esto es, el

cátodo de uno de los 4 diodos cambia de 1 a 0 y este cambio activa la interrupción externa

del microcontrolador provocando que el teclado sea rastreado para detectar cual fue la tecla

presionada.

Para determinar cual fue la tecla presionada se procede como se indica a

continuación:

1. Una vez activada la interrupción, se inicializa una variable “tecla” con FFH,

este valor limpia la variable.

2. El display se encuentra desactivado ya que solo es activado para desplegar,

por lo que se saca por el BUS 01111111B para que exista un 0 solo en una de

las columnas del teclado (figura 4.3).

3. Supongamos que la tecla presionada fue en la coordenada C3-R2, ahora se lee

el estado de BUS y si no se presionó tecla dentro de la columna 1 (Que es el

caso) el BUS será leído línea por línea como 1 lógico provocando que el

microcontrolador ignore el valor y continúe con el rastreo.

4. Ahora se saca por el BUS 1011111B y se lee de nuevo el BUS, al no existir

tecla presionada en la columna 2, el valor de “tecla” permanece con FFH.

5. Es hasta que se saca por el BUS 11011111B cuando se leerá un valor diferente

de FFH, en este caso se leerá 11111101B, dependiendo de la línea en la que se

detectó el 0 y la columna que está activada, se le asigna un valor nuevo a la

variable “tecla” éste valor está entre 1 y 16.


6. El microcontrolador continua con el rastreo de la última columna y al no

existir tecla presionada en ella, el valor de “tecla” no es reemplazado.

7. Al final del rastreo “tecla contiene un número entre 0 y 16 el cual es empleado

para direccional una tabla de datos en la EEPROM (Previamente programada)

que contiene el dígito real de la tecla presionada, este valor se le asigna ahora

a “tecla”.

4.5 Matriz de láseres.

4.5.1 Descripción.

Como sabemos, los experimentos es semillas fueron realizados empleando un láser de

semiconductor de 650 nm y 30 mW. Las semillas irradiadas fueron cantidades pequeñas en

comparación con las que se tendrían que irradiar en una aplicación real en la que una

siembra normal podría constar de varias toneladas de semillas.

Por este motivo se pensó en crear áreas de irradiación más grandes que pudiesen

irradiar más semillas por unidad de tiempo. Para crearlas se planteó el uso de matrices con

varios diodos láser de características similares de emisión. Aunque esto no garantiza una

densidad de energía completamente homogénea para la superficie de irradiación creada, se

le considera casi homogénea debido a la forma en que se realizó el “traslape” de las áreas

de emisión de los láseres. La forma de emisión de un láser de semiconductor proyectada en

un plano es presentada en la figura 4.5, Aquí podemos ver zonas de diferentes tonos en las

que las zonas con mayor densidad de energía se encuentran en el centro, el propósito de la

matriz es formar áreas de mayor tamaño mediante la combinación de varias zonas en las

que la densidad de energía sea relativamente alta.

Zona de baja densidad de energía

Zona de alta densidad de energía

Fig. 4.5 Forma de emisión de un diodo láser proyectada en un plano x - y.


En la figura 4.6 se muestra una idea de cómo se realiza esta combinación, aquí el

objetivo es obtener un área en la que predominen los tonos claros. De esta manera se puede

obtener un área del tamaño que se requiera en función del número de emisores láser de la

matriz.

Área considerada con densidad homogénea

Fig. 4.6 Ejemplo del área proyectada en un plano x – y por una matriz de láseres.

4.5.2 Modificaciones al circuito original.

Debido a que para una matriz de láseres se requieren de varios emisores, fue

necesario realizar un diseño flexible de la fuente de alimentación propuesta que permitiera

la conexión de por menos 10 diodos láser para propósitos de prueba. Un requisito

importante para esta nueva fuente de alimentación era que los componentes necesarios por

cada diodo láser fuera mínimo.

Afortunadamente el diseño que se propuso en un principio requiere de solo dos

componentes por diodo láser y permite la conexión en paralelo de más emisores de una

manera sencilla (Figura 4.7).


37.7

10 nF

GND

LM317LZ

31

2VINADJ

VOUT

LM317LZ

31

2VINADJ

VOUT

MOD

Vin

GND

37.7

R547k

37.7 Diodo láser 2

LM317T

31

2VINADJ

VOUT

Q1

2N3905

3

2

1

R1

240

LM317LZ

31

2VINADJ

VOUT

Diodo láser n

C1

R3 47 k

R2

1k

Diodo láser 1

Fig. 4.7 Diagrama de la fuente de alimentación ejemplificando la expansión en el número de emisores

láser.

El número de diodos láser que pueden conectarse depende de la capacidad de

corriente del transformador y del regulador de voltaje. Si tenemos un transformador de 2 A

y un LM317T como en el diagrama, podemos conectar aproximadamente 40 emisores.

Pueden sustituirse el transformador de 2 A y el LM317T por un transformador de 3 A y un

LM350K para poder manejar hasta 80 diodos láser. A la etapa de regulación de voltaje se

ha añadido un potenciómetro de 1 k para ajusta el voltaje del diodo láser.

La fuente de alimentación para 10 diodos láser se muestra en la figura 4.8 y el

controlador en la figura 4.9.


Fig. 4.8 Fuente de alimentación para 10 diodos láser.

Fig. 4.9 Controlador para fuente de alimentación.

4.5.3 Prototipo 1.

En el primer prototipo se tenía la intención de concentrar la potencia de varios diodos

láser en un mismo punto con el fin de evaluar la posibilidad de elevar la potencia por


unidad de área y experimentar otros efectos que con intensidades más bajas posiblemente

no se obtendrían. En la figura 4.10 se muestra un ejemplo de cómo puede cambiarse el área

de irradiación y consecuentemente la intensidad por unidad de área.

Fig. 4.10 Ejemplo de matriz de láser con área de

irradiación ajustable.

En la práctica se decidió fijar los ángulos de inclinación de los diodos láser a 50 º con

respecto a la horizontal para facilitar el diseño y su construcción. El resultado es el de la

figura 4.11 en el que muestra el sistema con 10 diodos láser, su fuente de alimentación y el

soporte de la matriz. El diagrama mecánico se muestra en el apéndice C.

Diodos láser

Ventilador

Fuente de poder

Semillas

Diodos láser

Ventilador

Fuente de poder

Semillas

Fig. 4.11 Prototipo No. 1 de matriz de láseres.


4.5.4 Prototipo 2.

El segundo prototipo fue diseñado para ampliar el área de irradiación de la manera

que se expuso en el tema 4.5.3. En este caso se emplearon 4 diodos láser para formar un

área de aproximadamente 2 x 3 cm. con una intensidad de 10 mW/cm2. En la figura 4.12 se

muestra la matriz construida.

Área de 2 x 3 cm.

Fig. 4.12 Prototipo No. 2 de matriz de láseres.

4.6 Pruebas del sistema y características.

Se realizaron pruebas en los tiempos de encendido y apagado de la fuente de

alimentación los resultados son los de las gráficas 4.13 y 4.14. Los tiempos de subida y de

bajada son de 128 ms y 2.4 s respectivamente, en ambas gráficas se observa la ausencia de

picos o transitorios de voltaje.


Fig. 4.13 Oscilograma del comportamiento de encendido de

la fuente de alimentación.

Fig. 4.14 Oscilograma del comportamiento de apagado de la

fuente de alimentación.

Se analizó la estabilidad de potencia óptica de salida del diodo láser en función del

tiempo. Su comportamiento se muestra en la gráfica 4.15. Podemos observar que cuando el

diodo láser no está con los elementos de disipación originales, su eficiencia disminuye en

casi un 30 %, pero con elementos de disipación de calor su rendimiento se encuentra entre

el 90 y 95 %.


0 20 40 60 80 100 120

70

75

80

85

90

95

100

I = 28 m AV = 4.3 V

Pot

enc

ia d

e sa

lida

(%

)

T iem po (m in) S in e lem entos de d isipación Con vetilador Con ventilador y d isipador

Fig. 4.15 Respuesta de la potencia óptica de salida en función del tiempo.

Para comprobar que la temperatura del diodo láser no aumenta considerablemente se

realizaron pruebas de temperatura en función del tiempo (figura4.16). Cuando el diodo

láser no está correctamente enfriado, su temperatura aumenta un 50 % con respecto a su

temperatura inicial (26 ºC). Cuando se añaden los elementos de enfriamiento su

temperatura se mantiene entre 6 y 10 % por arriba de la temperatura inicial.

0 20 40 60 80 100 120

100

110

120

130

140

150

I = 28 m AV = 4 .3 V

Te

mp

era

tura

(%

)

T iem po (m in) S in e lem entos de d is ipación C on vetilador C on ventilador y d is ipador

Fig. 4.16 Incremento de la temperatura en función del tiempo de operación.


4.7 Conclusiones

1. La fuente de alimentación construida presenta la ventaja de que puede

manejar hasta 40 diodos láser de corriente de operación de 30 mA. Con

algunas modificaciones a este diseño (2 componentes en la etapa de voltaje y

2 componentes por cada emisor), es posible aumentar su capacidad a 80

diodos láser. La cantidad de diodos láser depende de la corriente que pueda

drenar la fuente de voltaje.

2. El diseño es flexible puesto que puede operar con diodos láser comerciales de

características similares sin hacer cambio alguno en su circuito. Si se

requieren de diodos láser que estén fuera del intervalo de operación, con solo

el cambio de un componente es posible adaptar otros diodos láser con

características de corriente diferentes.

3. El circuito de control mediante microcontrolador ofrece un diseño simple y

con el mínimo de componentes. Aunque esta simplicidad del circuito

electrónico resulta en un código de programación relativamente complicado,

se cumplieron los requisitos de temporizado y de control del sistema.


5.1 Desarrollo al futuro.

• Añadir al controlador la capacidad de seleccionar la corriente de operación para el

diodo láser. • Agregar un monitoreo de potencia óptica de salida y de la temperatura de operación

de los diodos láser. • Realizar la integración del equipo a un sistema de irradiación en el que entran

semillas sin bioestimular y salen ya bioestimuladas. Este sistema puede ser empleado como base para la construcción de una matriz de mayor tamaño que pueda irradiar semillas de una manera eficiente tal como se muestra en la figura 5.1. En esta figura podemos observar como a través de una banda de transporte se introducen semillas por extremo y estas pasan bajo la luz láser durante un tiempo que está determinado por la velocidad de la banda. La luz láser debe tener una intensidad en la que se producen efectos de fotobioestimulación y el tiempo que durarán las semillas bajo su irradiación también deberá ser adecuado.

Entrada de semillas

Matriz de láseres

Banda de transporte Semillas irradiadas

Fuente de poder y controlEntrada de semillas

Matriz de láseres

Banda de transporte Semillas irradiadas

Fuente de poder y control

Figura 5.1 Ejemplo de posible aplicación del sistema.

• Realizar más experimentos en semillas para optimizar los parámetros de irradiación

y obtener un equipo más eficiente.

Capítulo 5 – Desarrollo a futuro 78

Conclusiones finales.

1. Los prototipos construidos cumplieron con los objetivos planteados y

representan una módulo de un conjunto módulos idénticos los cuales

formarían un sistema completo y eficiente capaz de irradiar semillas con

intensidad, tiempo y longitud de onda adecuadas para provocar efectos de

fotobioestimulación en ellas.

2. El análisis estadístico permitió verificar la confiabilidad de los resultados

obtenidos en los experimentos con semillas y evaluar el grado en el que se

presentan los efectos de fotobioestimulación. Se encontró un aumento en la

velocidad de crecimiento del 42 % para semillas de pepino, 52 % en semillas

de lechuga y 10 % en semillas trigo. También existe aumento en el porcentaje

de germinación de la semilla en un 30 % en semillas de pepino y 4 % para

trigo. El aumento en vigor de la semilla representa un 32.5 % en trigo.

3. De estas investigaciones se obtuvieron los siguientes artículos para congresos:

“Análisis de los efectos de bioestimulación en la germinación de

semillas producidos por luz monocromática de baja intensidad”. Alexandre

Michtchenko, José A. Domínguez Chávez, Claudia Hernández Aguilar. 6º

Congreso Nacional de Ingeniería Electromecánica y de Sistemas. 27 al 30 de

noviembre del 2001, México, DF.

“Efectos de bioestimulación producidos por la irradiación láser de

baja intensidad en semillas de pepino (solanum muricatum)”. Alexandre

Michtchenko, José A. Domínguez Chávez, Claudia Hernández Aguilar. 6º

Congreso Nacional de Ingeniería Electromecánica y de Sistemas. 27 al 30 de

noviembre del 2001, México, DF.

“Análisis de los efectos de fotobioestimulación en semillas de trigo

provocados por luz láser de 650 nm.”. José A. Domínguez Chávez, Alexandre

Michtchenko, Claudia Hernández Aguilar. VII Congreso Nacional En Ingeniería

Electromecánica y de Sistemas, México D.F., 3 al 7 de noviembre, 2003.

79

“Sistema láser para producir efectos de fotobioestimulación en

distintos tipos de semillas”. José a. Domínguez Chávez, Alexandre

Michtchenko, Claudia Hernández Aguilar, Gabino García de los Santos. VII

Congreso Nacional En Ingeniería Electromecánica y de sistemas, México D.F., 3

al 7 de noviembre, 2003.

80

Referencias. [1] She Shimizu-Sato, Enamul Huq, James M. Tepperman and Peter H. Quail, “A light switchable gene promoter system”, Nature Biotechnology, vol. 20, pp.1041-1044, October 2002. [2] Steele R., “Review and Forecast of the Laser Markets, Part II: Diode-laser”, Laser Focus, February 2002. [3] Fankhauser C., “The Phytocromes a Family of red/far-red absorbing photoreceptors”, Journal of Biological Chemistry, 2001, 276, 11453-11456. [4] S.A Ouf, N.F. Abdel-Handy, “Influence of He-Ne Láser Irradiation of Soybean Seeds on Seed Mycoflora, Growth, Nodulation, and resistence to Fusarium solani”, Folia Microbiology, 1999, vol. 44,pp. 388-390. [5] George E. P. Box, William G. Hunter, J. Stuart Hunter, “Estadística para investigadores”, Ed. Reverté S.A., 1999. [6] Smith B. R. White, R. P, Salter S. R, “Laser Automatic Lever Control for Optical Communications”, Proceedings 3rd European Conference on Optical Communications, Munich, 1977. [7] Plummer J.A. and Bell, D.T. Germination in Photosensitive Seeds: Does Phytochrome Stimulate Metabolism, Plant Physiol., Vol. 24, pp. 389–394, 1997. [8] T. Karu, N. Afanasyeva, S. Kolyakov, L. Pyatibrat “Changes in absorption (= 500-860 nm) of cell monolayer under irradiation with semiconductor lasers at 670 or 820 nm”. In: Effect of Low Power Light on Biological Systems III, G. Bottiroli, T. Karu, R. Lubart, eds. SPIE Proc. Vol. 3198, pp 2-11, 1997. [9] T. Karu, A. Kurchikov, V. Letokhov, V. Mokh “He-Ne laser radiation influences single channel ionic currents through cell membranes: a patch-clamp study”. Effect of Low Power Light on Biological Systems III, G. Bottiroli, T. Karu, R. Lubart, eds. SPIE Proc. Vol. 3198, pp 57-66, 1997. [10] T. Karu“Basics of the action of monochromatic visible and near IR (laser) radiation on cells” Proceedings of 2nd International Conference on Bioelectromagnetism. (15-18 Febr. 1998, Melbourne). Ed. B. Lithgow and J. Cosic. IEEE, 1997, pp. 125-126. [11] T. Karu "Interaction of monochromatic visible light and near infrared radiation with cells: currently discussed mechanisms". SPIE Proceedings "Laser-Tissue Interaction VI". Ed. S. L. Jacques, A. Katzir, Vol. 2391, pp.576-586, 1995. [12] T. Karu “Mechanisms of interaction of monochromatic visible light with cells”, Effects of Low Power Light on Biological Systems, T. Karu, A. R.Young, Ed. SPIE Proc. V.2630, pp. 2-9, 1995. [13] E. de la Rosa C., R. Mariz Ramírez, S. Gómez Martínez, “Diseño de una fuente estable para un diodo láser y algunas aplicaciones del sistema”, MEXICON 92, Guadalajara, Jal., MX92-IN3-IEEE, 1992. [14] O. Tiphlova, T. Karu "Action of low-intensity laser radiation on Escherichia coli" CRC Critical Reviews in Biomedical Engineering, 18(6), 387-412, 1991. [15] Sudha Rani Govil, D. C. Agrawal, K. P. Rai and S. N. Thakur, “Physiological responses of Vigna radiate L. to nitrogen and argon laser irradiation”, Indian J. Plant Physiol., Vol. XXXIV, No. 1, pp. 72-76, March 1991. [16] D. C. Baird, “Experimentación, Una introducción a la teoría de mediciones y al diseño de experimentos”, Ed. Pearson Educación, 1991.

81

[17] T. Karu, O. A. Tiphlova "Regulation of cellular metabolism with low-intensity monochromatic visible light", Proc. of SPIE, vol.1353, p.68-78, 1990. [18] T. Karu, O. Tiphlova, M. Samokhina, C. Diamantopoulos, V. Sarantsev, V. Schveikin "Effects of near infrared laser and superluminuous diode irradiation on Escherichia coli", IEEE J.Quantum Electr., QE-26(12), 2162-2165, 1990. [19] T. Karu, “Photobiology of Low-Power Laser Therapy”, Laser Technology Center USSR Academy of Sciences Troitzk, USSR. Harwood Academic Publishers, 1989. [20] Tiphlova O.A., T. Karu “Stimulation of Escherichia Coli Division by Low–Intensity Monochromatic Light”, Photochem. Photobiol, 1988. [21] T. Karu "Photobiological basis of laser biostimulation". Proc. of 10th Intern.Conf. "IEEE Engineering in Medicine", 4-7.11.88, New Orleans, p.34-35, 1988. [22] A. Reza Hoshmand “Statistical Methods for Environmental & Agricultural Sciences”, Ed. CRC Press, 1988. [23] T. Karu "Photobiological fundamentals of low-power laser therapy" IEEE J. Quantum Electronics, QE-23 (10) 1703-1717, 1987. [24] Sudha Rani Govil, D. C. Agrawal, K. P. Rai and S. N. Thakur, “Growth responses of Vigna radiate seeds to laser irradiation UV-A region”, Physiol. Plant, Vol. 63, pp. 133-134, Copenhagen 1985. [25] T. Karu, O. A. Tiphlova, V. S. Letokhov, V. V. Lobko "Stimulation of E.coli growth by laser and incoherent red light". Il Nuovo Cimento D, 2(4), 1138-1144, 1983. [26] Thomas E. Stockton, Paul W. Casper, “Injection Laser Diode Transmitter Design”, Fiber Optic Tecnology, October 1982, pp. 93-96. [27] Joseph F. Svacek, “Transmiter Feedback Techniques Stabilize Laser-diode Output”, EDN, March 5, 1980, pp. 107-110. [28] M. A. Karr, F. S. Chen, P. W. Shumate, “Output Power Stability of GaAlAs Laser transmitters Using an Optical Tap for Feedback Control”, Applied Optics, Vol. 18, No. 8, April 15 1979. [29] Goce Vasilevski and Dane Bosev, “Resuslts of the effect of the laser light on some vegetables”, Proc. First Balkan Symp. pp. 473, 474, 476. [30] P. E. Pilet and F. Golaz, “Effect of white light on the growth of aseptically cultured maize roots”, Plant Science, Elsevier Scientific Publishers Ireland Ltd. Vol. 38, pp. 115-119. [32] Arthur C. Giese “general principles; Action of light on plants”, Academia Press Inc., Photophysiology Volume 1- 1964, pp. VII

82

Apéndice A A.1 Diagrama eléctrico completo del sistema láser.

39 pF 0.1 uF

RS

10k

13

2

GND

D3

12

R/W

VCC

C1

R3

R1

E

D1

12

R2

AT90S2313

RESET1 XTAL24 XTAL15

VCC20

PB0/AIN0 12

PB1/AIN113

PB214

PB3/OC1 15

PB4 16

PB5/MOSI17

PB6/MISO18

PB7/SCK 19

PD0/RXD2

PD1/TXD3

PD2/INTO6

PD3/INT17

PD4/TO8

PD5/T19

PD6/ICP11

100k

C2 C4

D2

12

39 pF

R4

Colocar 1 módulopor cada diodoláser

R2

1k

-+

Puente rectif icador 3 A

1

4

3

2

T1

127V:12 V - 2 A

1 5

4 8

C1

1000uF

47

LM317LZ

VIN3

ADJ1 VOUT 2

47

Diodo Láser 2 (+)

LM317LZ

VIN3

ADJ1 VOUT2

GND

Diodo Láser 1 (+)

Q1

2N3905

3

2

1

R547k

R1

240

LM317T

VIN3

ADJ1 VOUT2

C2 10 nF

R3 47 k

D4

12

D0-D

7 LCD

4MHz

16 x 2

VCC

C3VS

S

83

A.2 Encapsulados y configuración de dispositivos. Terminales y encapsulado del regulador LM317T Terminales y encapsulado del regulador LM317L

Terminales y encapsulado del transistor 2N3905

Terminales del microcontrolador AT90S2313 Terminales del teclado matricial.

Sección 1.01

84

A.3 Tabla de comandos para el display de cristal líquido. Código Descripción Instrucción

o comando RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0

Clear Display 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

Borra el display y coloca el cursor en la primera posición 0 DDRAM

Returm home 0 0 0 0 0 0 0 0 1 *

Coloca el cursor en la posición de inicio y hace que el display comience a desplazarse desde la posición original. El contenido de la DDRAM no varía

Entry mode set 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S

Establece el sentido de desplazamiento de la información en el display. Esta operación se realiza durante la lectura o escritura de la DDRAM

Display ON/OFF control

0 0 0 0 0 0 1 D C B

Activa o desactiva poniendo en ON/OFF tanto el display D = 0 o D = 1,como el cursor C = 0 o C = 1 y establece si este debe parpadear o no B = 0 o B = 1

Cursor or display

shift 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *

Mueve el cursor y desplaza el display sin cambiar el contenido de la DDRAM

Funtion set 0 0 0 0 1 DL N F * *

Establece el tamaño de interfase con el bus de datos(DL),el número de líneas del display(N) y la font de los caracteres

I/D = 1 Incrementa la dirección del cursor I/D = 0 Decrementa la dirección del cursor S =1 Desplaza la visualización cada vez que se escribe un dato S/C = 1 Se desplaza la visualización S/C = 0 Se desplaza el cursor R/L = 1 Desplazamiento a la derecha R/L = 0 Desplazamiento a la izquierda DL = 1 Trabaja con bus de datos de 8 bits DL = 0 Trabaja con bus de datos de 4 bits

N = 1 La presentación se hace en 2 líneas N = 0 La presentación se hace en 1 línea F = 1 Caracteres de 5x10 dots F= 0 Caracteres de 5x7 dots BF =1 LCD ocupado en una operación interna BF = 0 LCD disponible para aceptar instrucciones D = 1 Pantalla activa (ON) C = 1 Cursor activo (ON) * Indeterminado

Terminales del display de cristal líquido. Terminal Descripción

1 Tierra

2 VCC

3 Polarización del cristal

4 Datos/Instrucción

5 Lectura/Escritura

6 Habilitación

7-14 Datos

85

A.4 Diagrama mecánico del prototipo 1 de matriz de láseres.

A.5 Diagrama mecánico del prototipo 2 de matriz de láseres

86

instituto politÉcnico nacional · 2017. 9. 2. · the fotobioestimulation effects were assessed by...

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